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仿生学

huangjiufeng
2009-11-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《仿生学pdf》,可适用于高等教育领域

Administrator新建图章科技大趋势系列仿生学仿生学漫谈苍蝇是细菌的传播者谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是“天然导航仪”人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”由O多只小眼组成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件它的用途很多。自然界形形色色的生物都有着怎样的奇异本领?它们的种种本领给了人类哪些启发?模仿这些本领人类又可以造出什么样的机器?这里要介绍的一门新兴科学仿生学。仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理并将这些原理移植于工程技术之中发明性能优越的仪器、装置和机器创造新技术。从仿生学的诞生、发展到现在短短几十年的时间内它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路也就是向生物界索取蓝图的道路它大大开阔了人们的眼界显示了极强的生命力。人类仿生由来已久自古以来自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程使它们能适应环境的变化从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言在长期的生产实践中促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物通过创造性的劳动增加自己的本领。鱼儿在水中有自由来去的本领人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鳍。相传早在大禹时期我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践逐渐改成橹和舵增加了船的动力掌握了使船转弯的手段。这样即使在波涛滚滚的江河中人们也能让船只航行自如。鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机这是世界上第一架人造飞行器。以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试可以认为是人类仿生的先驱也是仿生学的萌芽。发人深省的对比人类仿生的行为虽然早有雏型但是在世纪年代以前人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉。科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧辛辛苦苦的努力进行着人工发明。他们很少有意识的向生物界学习。但是以下几个事实可以说明:人们在技术上遇到的某些难题生物界早在千百万年前就曾出现而且在进化过程中就已解决了然而人类却没有从生物界得到应有的启示。在第一次世界大战时期出于军事上的需要为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇。当工程技术人员在设计原始的潜艇时是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉如果需要升至水面就将携带的石块或铅块扔掉使艇身回到水面来。以后经过改进在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量。以后又改成压载水舱在水舱的上部设放气阀下面设注水阀当水舱灌满海水时艇身重量增加使可它潜入水中。需要紧急下潜时还有速潜水舱待艇身潜入水中后再把速潜水舱内的海水排出。如果一部分压载水舱充水另一部分空着潜水艇可处于半潜状态。潜艇要起浮时将压缩空气通入水舱排出海水艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮。如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔。鳔内不受肌肉的控制而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量促使鱼体自由沉浮。然而鱼类如此巧妙的沉浮系统对于潜艇设计师的启发和帮助已经为时过迟了。声音是人们生活中不可缺少的要素。通过语言人们交流思想和感情优美的音乐使人们获得艺术的享受工程技术人员还把声学系统应用在工业生产和军事技术中成为颇为重要的信息之一。自从潜水艇问世以来随之而来的就是水面的舰船如何发现潜艇的位置以防偷袭而潜艇沉入水中后也须准确测定敌船方位和距离以利攻击。因此在第一次世界大战期间在海洋上水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段。海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段。首先采用的是水听器也称噪声测向仪通过听测敌舰航行中所发出的噪声来发现敌舰。只要周围水域中有敌舰在航行机器与螺旋桨推进器便发出噪声通过水听器就能听到能及时发现敌人。但那时的水听器很不完善一般只能收到本身舰只的噪声要侦听敌舰必须减慢舰只航行速度甚至完全停车才能分辨潜艇的噪音这样很不利于战斗行动。不久法国科学家郎之万(~)研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇。用一个超声波发生器向水中发出超声波后如果遇到目标便反射回来由接收器收到。根据接收回波的时间间隔和方位便可测出目标的方位和距离这就是所谓的声纳系统。人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果曾使人们为之惊叹不已。岂不知远在地球上出现人类之前蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了。生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中它们利用声音寻食逃避敌害和求偶繁殖。因此声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利人斯帕兰赞尼很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫但是堵塞蝙蝠的双耳后它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实帕兰赞尼提出了一个使人们难以接受的结论:蝙蝠能用耳朵“看东西”。第一次世界大战结束后年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同。遗憾的是哈台的提示并未引起人们的重视而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到年采用了电子测量器才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了。另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器年之后人们经过长期反复的实践终于在年发明了飞机使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类显示了人类的智慧和才能。但是在继续研制飞行更快更高的飞机时设计师又碰到了一个难题就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时机翼发生有害的振动飞行越快机翼的颤振越强烈甚至使机翼折断造成飞机坠落许多试飞的飞行员因而丧生。飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法。就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置这样就把有害的振动消除了。可是昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了它们也毫不例外地受到颤振的危害经过长期的进化昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用获得有益于解决颤振的设计思想就可似避免长期的探索和人员的牺牲了。面对蜻蜓翅膀的翼眼飞机设计师大有相见恨晚之感!以上这三个事例发人深省也使人们受到了很大启发。早在地球上出现人类之前各种生物已在大自然中生活了亿万年在它们为生存而斗争的长期进化中获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制使它们具备了适应内外环境变化的能力。生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。连接生物与技术的桥梁自从瓦特(JamesWatt~)在年发明蒸汽机以后人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题从而引起了第一次工业革命各式各样的机器如雨后春笋般的出现工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能使人们从繁重的体力劳动解脱出来。随着技术的发展人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进。世纪年代电子计算机的问世更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力它们准确地调整、控制着生产程序使产品规格精确。但是自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的这就使它的控制能力具有很大的局限性。自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力如果发生任何意外的情况自动装置就要停止工作甚至发生意外事故这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点无非是使机器各部件之间机器与环境之间能够“通讯”也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题。因此信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾呢?生物界给人类提供了有益的启示。人类要从生物系统中获得启示首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性。年出现的调节理论将生物与机器在一般意义上进行对比。到年一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的。在这样的认识基础上年一个新的学科控制论产生了。控制论(Cybernetics)是从希腊文而来原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳(NorbefWiener,~)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学。虽然这个定义过于简单仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。控制论的基本观点认为动物(尤其是人)与机器(包括各种通讯、控制、计算的自动化装置)之间有一定的共体也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律。根据控制论研究表明各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程。控制系统工作的正常取决于信息运行过程的正常。所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究。因此控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础。成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。生物体和机器之间确实有很明显的相似之处这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统(如神经系统)都存在着各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力。也可以把生物体比作一个自动化的工厂它的各项功能都遵循着力学的定律它的各种结构协调地进行工作它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应而且能像自动控制一样借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理。于是出现了这样一个趋势工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果就主动学习生物科学知识。仿生学的诞生随着生产的需要和科学技术的发展从年代以来人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。仿生学作为一门独立的学科于年月正式诞生。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗?”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说仿生学属于“应用生物学”的一个分支从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统为人类造福。仿生学的研究方法与内容仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志:一个巨大的积分符号把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成而且也概括表达了仿生学的研究途径。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理并把它模式化然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。仿生学的主要研究方法就是提出模型进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段:首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素得到一个生物模型第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中不仅仅是简单的仿生更重要的是在仿生中有创新。经过实践认识再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设备将与生物原型不同在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点就是整体性。从仿生学的整体来看它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量才能进行生长和繁殖生物从环境中接受信息不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激(输入信息)之间的定量关系即着重于数量关系的统一性才能进行模拟。为达到此目的采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此仿生学的研究方法必须着重于整体。仿生学的研究内容是极其丰富多彩的因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内仿生学的研究得到迅速的发展且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展学科分支繁多在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如:航海部门对水生动物运动的流体力学的研究航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航工程建筑对生物力学的模拟无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有:“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。总之仿生学的研究内容从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养加速科学的发展。闪此仿生学的科研显示出无穷的生命力它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。生物界物理现象的启迪从人造假手谈起在一次自动控制技术的会议上当一个没有手的岁男孩用假手在黑板上用粉笔写起“向会议的参加者致敬”的时候大厅里顿时响起了雷鸣般的掌声。人们赞叹不绝不断地向这种新颖控制技术的创造者表示热烈的祝贺。创造者是怎样使假手能像真手一样工作的呢?这就是我们要介绍的生物电。早在世纪末叶人们对生物机体内的生物电流就已经有所认识。因为生物体内不同的生命活动能产生不同形式的生物电如人体心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思维等等所以人们就可以借助生物电来诊断各种疾病。生物电的应用十分广泛生物电手的应用就是其中之一。我们知道人双手的一切动作。都是大脑发出的一种指令(即电讯号)经过成千上万条神经纤维传递给手中相应部位的肌肉引起的一种反应。如果我们把大脑指令传到肌肉中的生物电引出来并把这个微弱的信号加以放大那么这种电讯号就可以直接去操纵由机械、电气等部件组成的假手了。国外一种假手从肩膀到肘关节使用了五只油压马达手掌及手指的动作利用两只电动马达。手臂在发出动作之前。利用上半身的各肌肉电流来作为假手活动的指令。即在背脊及胸口安放相应的电极用微型信号机来处理那里产生的电流信息七只马达就能根据想要做的动作进行运转。这种假手的动作与真手臂大致相同由于主要部分采用了硬铝及塑料故其重量还不到公斤。据报道这种假手已能够做诸如转动肩膀及手臂、掌、弯曲关节等等种动作了。它能为由于交通及工伤事故而被齐肩截断手臂的残废者解决生活和工作上的许多不便。国内在研究生物电控制假手方面上海假肢厂的工人和上海生理研究所的科技人员经过共同的努力已经制造了一种重约公斤握力达公斤可以提公斤的人造假手。其工作能源是由节镍镉电池提供的。人造假手的出现不仅为四肢残废的人制造了运用自如的四肢而且由于生物电经过放大之后可以用导线或无线电波传送到非常遥远的地方去。显然这对于扩大人类的生产实践将会产生具有影响力的改变。到那时人们可以叫假手到万米深的海底去取宝或到高炉里、矿井里去操作甚至可似叫它到月亮上去开垦处女地。生物电的研究对于农业生产也具有很大的意义。我们常常见到的向日葵它们的花朵能随着太阳的东升西落而运动含羞草的叶子经不起轻扰一碰就会低眉垂头害起羞来。这些植物界中的自然现象都是因为生物电在起作用的缘故。植物中的生物电究竟是怎样产生的呢?有人曾做过如下的实验:在空气中将一个电极放在一株植物的叶子上另一电极放在植物的基部结果发现两个电极之间能产生毫伏左右的电位差。当将同样的一株植物放在密封的真空中时由于植物在真空中被迫停止生命活动所以植物基部和叶片之间的电压也就消失了。这个实验有力地证明生物的生命活动是产生生物电的根源。生物发电与通讯老鼠是一种常见的动物但老鼠能发电也许你会感到惊奇。有人曾从一个活老鼠身上获得推动一架频率为千周的无线电发射机正常工作所需的电能。老鼠中的生物电据说能供这种发射机维持六个月的正常工作(每天按工作八小时计算)且自身并无衰减。据测量从老鼠身上引出的电流其电流为A。当电压为.V负载电阻为Ω时则老鼠最大的输出功率能达μW。有关研究表明动物的眼睛也能发电。当人们把一根极细的金属丝通到动物的眼睛神经细胞中在光的作用下对这些细胞所发出的电流放大万倍再在示波器的屏幕上进行记录时发现这种微弱的电流能随着光照的强度、时间等因素的变化而改变。许多生活在海洋中的鱼类也具有发电的本领。有人统计过全世界大约有五百余种具有发电能力的鱼类。鱼依靠自身的电能器官能在水中黑暗的世界里进行导航、联络、求偶、觅食、攻击以及辨别其他鱼的性别、种类甚至年龄等等。各种鱼的发电本领各不相同非洲鲶鱼能产生V的电压电鳗则能产生V以上的电压大鳐鱼产生的电流能把A的电阻丝烧断。电鳐是发电的能手。它的外形很像一把厚的团扇背腹扁平头胸部连在一起尾部呈粗棒状。电鳐的一对小眼睛长在背面前面的中央在身体的腹面有一横裂状的小口两侧各有五个鳃孔。电鳐常栖居在太平洋、大西洋、印度洋等热带和亚热带海域的底部行动迟钝体长一般在米左右。我国东南沿海一带也有电鳐分布但体型较小一般都在米以下。电鳐生长在深水之中怎么会发电呢?经过解剖研究原来电鳐头胸部腹面两侧各有一个肾脏形、蜂窝状的“发电器”每个“发电器”大约由个呈六角形的柱状管组成而柱状管是由一块块肌肉纤维组织重叠而成的肌肉纤维组织的一面与神经末梢相连当电鳐的大脑神经受到刺激和兴奋时电鳐两侧的“发电机”就能把神经脉冲变成电能而放出来。由于一块块的肌肉纤维组织好像蓄电池中的极片一样且因柱状管之中充满着胶状质的绝缘物质所以电鳐放电时的电压高达V左右。大鳐鱼的一个电脉冲甚至能使六个W的灯泡像霓虹灯广告牌一佯闪光。电鳗生长在美洲中部和南部一带的河流中特别是在亚马孙河下游和圭亚那河流域最为常见。电鳗体长可达米休重约公斤。虽然没有背鳍但胸鳍特别发达。电鳗是许多放电鱼类中放电能力最强的一种。它的发电器官由胸鳍上方和测线下面的两排非常发达的纵行肌肉组织所构成。体长厘米的电鳗就能放出电压为~V的生物电。个体较大的电鳗据说能用生物电来击毙像马那样大的动物。所以人们在捕捉肉味鲜美的电鳗时不得不将一些家畜赶到河中去以消耗电鳗的电力然后用网和手来捕捉已经精疲力尽的电鳗。电鳗的发电器不仅能寻找食物或抵抗敌害更耐人寻味的是电鳗能利用电能器官进行水中通信和导航。当雄鳗鱼在接近鱼群中的雌鳗鱼时发现它们能改变电荷的强度。象鼻鱼也是一种能发电的鱼多分布在非洲热带地区的河流或湖泊之中。它的嘴很长头也特别大约占体重的/~l/这是任何其他低等脊椎动物所不及的。象鼻鱼的发电器官长在尾端的两边在安静状态时象鼻鱼能发出低频率的电脉冲如果有条象鼻鱼在附近时则发现它们发出的电脉冲能立即迅速地升高达到一定程度时双方的电脉冲又降低逐步恢复到正常的低频状态。象鼻鱼不仅能发电更令人惊奇的是背上具有一个能接收电波的东西好像雷达的天线一般。当象鼻鱼的吻部连同眼睛都钻入泥土中寻觅食物时尾部的发电器就能向四周发射电脉冲。如果遇到敌害则背部的电波接收器在接到电波的反射信号之后就能立刻发出警告象鼻鱼便可以逃之夭夭了。人们利用电来进行空中通讯是从电报开始的至今仅有八十多年的历史但鱼用电来进行通讯却已有千万年的历史了。更可贵的是鱼能在水中进行通讯这是一个了不起的本领。虽说人类现代通讯本领已很高超可以利用无线电波与地球上任何地方进行通讯甚至还可以与月亮建立联系但如果要与水下米深的潜水艇进行通讯则无线电波的发射功率就一定要在几兆瓦左右并且潜艇还不能回答信号。随着潜水深度的增加通讯也会变得越来越困难。但生活在海洋中的某些鱼类却具有高超的水中通信本领。如一条一斤多重的青花鱼就能用十分微小的功率与百米之外的同伴建立联系甚至还能将有关的信号从水中发射到空中去。这种非凡的本领引起了人们的极大兴趣近代在研究鱼类利用电进行水下通讯的基础上已经研制了一种水下电波发射机。这种新颖的发射机据说输出毫瓦的功率时就能与米远的目标建立联系。在研究利用生物电进行通讯的时候生物无线电也是一个重要的研究课题。我们知道生物活动不仅会产生生物电更有趣的还会向空中发射无线电波如肌肉的活动就能产生无线电波的辐射。当人体在吸气时胸部的肌肉就能产生辐射频率在周(有时能产生更高的频率)的无线电波。试验还表明人体中除头颅不能产生无线电波的辐射之外其它任何地方的肌肉均能产生更奇妙的是某些小肌肉发射的电讯号特别显著如人手中的小指肌肉发射的无线电讯号最为强烈。生物界的磁学现象磁场对生物的影响即磁场的生物交应引起人们的注意还为期不久。据测验人在奥斯特的磁场中停留分钟对身体还不至于造成危害如突然靠近加速器磁场时会立刻失去辨别方向的能力稍等片刻后方能适应。当人们突然离开加速器时又将产生刚进入磁场时的同样反应。强磁场对某些生物的作用更加显著。如果将果蝇蛹放在奥毫米和奥斯特l毫米的非均磁场中几分钟后果蝇便会死去。约经过分钟磁处理的果蝇有%不能变为成虫成为成虫的那一部分也活不到一小时并且有~%的成虫呈现出翅和体形畸变。磁场对生命的活动会产生哪些影响呢?我们不妨先做一个试验。在一个潮湿的(温度在~℃)玻璃暗室内安置一个特定的架子上边放有过滤纸过滤纸的两端分别与放有水的容器相连以便使过滤纸团能均匀地吸取水分。过滤纸的上面、放有两类干燥的、没有发过芽的玉米种子一类玉米种子的胚根朝着地球的北磁极。这样经过一些时间玉米的种子就能慢慢地开始发芽。有趣的是胚根朝向地球南磁极的那类玉米种子要比胚根朝向地球北磁极的那类玉米种子早几昼夜发芽并且还发现前者的根和茎生长都比较粗壮而后者的种子所发的芽常常会产生弯向南磁极的形态。为了探索其中的奥妙有人还精心设计了一种试验设备。让种子处在强度高达高斯的永久磁铁中、结果有趣地发现种子的幼根仿佛在避开磁场的影响而偏向磁场较弱的一边。这是什么原因呢?科学工作者经过了几年的研究发现原来植物的有机体是具有一定的磁场和极性的并且有机体的磁场是不能对称的。一般说来负极往往比正极强所以植物的种子在黑暗中发芽时不管种子的胚芽朝哪一个方向而新芽根部是朝向南方的。经过研究科学工作者还发现弱磁场不但能促进细胞的分裂而且也能促进细胞的生长所以受恒定弱磁场刺激的植物要比未受弱磁场刺激的根部扎得深一些而强磁场却与此相反它能起到阻碍植物深扎根的作用。但任何事物并不是绝对的有关的试验表明当种子处在磁场中不同的位置时如果磁场能加强它的负极则种子的发芽就比较迅速和粗壮相反如果磁场能加强它的正极则种子的发育不仅变得迟缓而且容易患病死亡。科学工作者曾经在堪察加半岛进行这样的实验在种植落叶松的时候不是按通常那样彼此之间是相互平行的而是径向种植的各行的树朝南、东西和西南方向排列结果有趣地发现生长最好的是以扇形磁场东部取向的那些树苗。根据这个科研成果在载种落叶松时人们采用了一种粘性纸带在纸带上放置已按预定方向取向的种子来进行播种。磁场对动物的生命活动也有一定的影响。人们曾经用鱼类、老鼠、白蚁、蜗牛、果蝇和蚯蚓等动物做实验结果发现鼠类在很强的均匀磁场中生长缓慢而且短命在不均匀的磁场内其死亡率会增加在高达~高斯的稳定磁场下能使它性欲周期消失在经过永久磁铁磁场作用的老鼠对于通常情况可以致死的辐射剂量具有较强的抵抗能力。人们很早就发现白蚁常常按照磁场的方向来休息。有人曾经故意把它按东西方向横放着然后拿到磁场非常强的人造磁场中发现它仍会按照新的磁场方向挪动身体的位置。蜗牛的运动也是一样。当外界磁场强度在l~高斯左右时它辨别方向的能力最为灵敏当外界磁场强度增大时分辨方向的能力就会很快消失。一般的蠕虫当外界磁场超过高斯时其辨别方向的能力也会消失。地球诞生以来地球磁场不但改变方向而且经常倒转。螃蟹是一种对磁场十分敏感的动物面对着磁场不断变化的情况它不得不采取一种折衷的办法以不变应万变既不向前走也不向后走而是横着走。地球的倒转对这种老资格的动物来说就没有什么影响了。生物中的光学现象光是太阳辐射到地球上来的一种能量。人类视觉能看到的光其波长一般在~A(A=×厘米=微米)之间。虽然这段光波的光也能产生热量但没有红外线产生的热量大。红外线的波长在毫米~埃之间紫外线的波长在~埃之间它们都位于人类的视觉范围之外但动物(特别是昆虫)的视觉范围比较广常常能延伸到短光波之中。生物在亿万年的进化过程中由于受到太阳光长期的直接作用所以其生命活动和光有着密切的关系即光对于加速或降低生物的新陈代谢和习性都会产生很大的影响。大多数鸟类在春季进行营巢、产蛋、育雏等等那是因为这个季节是一年中日照逐渐增长的美好时光。许多鸟类从秋季就开始停育、换羽、育肥、流浪或迁徙那是因为这个季节是一年中日照逐渐缩短的时期。在一般情况下大多数鸟类必须在光照时间为~小时的白天下进行繁殖。为了改变这种情况人们在鸟类停育的冬季每天晚上给它们补充光照使白天的时间延长到~小时则有趣地发现已经停止的生殖腺又能重新活动。根据这个特点人们常采用补充光照的方法来提高家禽的产蛋量。如在~小时的光照条件下夏德林种鹅的产蛋率能提高%土伦兹品种鹅的产蛋率能提高%罗马尼亚种鹅的产蛋率能提高%普通信鸽的产蛋率能提高%火鸡和朱鸡的产蛋率能提高%普通家鸡的产蛋率能提高%~%。为什么采用补充光照的办法能提高家禽的产蛋量呢?经过研究发现家禽生蛋与它的脑垂体有很大关系。当脑垂体分泌催卵激素时就能促进家禽的卵巢生蛋。实践证明要使脑垂体分泌这种催卵激素就一定要有比较长的光照时间所以一般家禽在春季的产蛋量要比冬季多。不同波长的光线对生物的生命活动也会产生一定的影响。人们又用家禽做试验结果发现受到红光照射的家禽它的产蛋量增加很少有的甚至没有增加。自从科学工作者揭开了家禽产蛋量与光照之间的秘密之后人们一方面在选择鸡种和饲料上面下功夫另一方面利用光对家禽生理活动的影响加以精心的饲养和管理结果使家禽的产蛋量大幅度提高。有些良种母鸡已经达到每年下蛋~个的新水平。光对于鱼类的生活习性也能产生明显的影响。人们一方面观察在自然光线照射下鱼类在早晨和晚上的活动情况另一方面研究了在用人工光线的照射下鱼类的反应情况结果发现随着光线颜色的不同被照射的鱼类(特别是鳗鱼、鲭鱼等)会表现出不同的反应。当光的颜色从波长较短的青色光变换到波长较长的红色光时发现光的波长愈短鱼的活动愈活泼相反当光的波长愈长则鱼的行动愈迟钝。在蓝色光和绿色光的照射下鱼可以做大范围的活动在黄色光的照射下鱼群开始集结到照射灯的附近行动变得不活跃在红色光线照射下鱼群密集在一起行动大为迟钝。人们又用虾做实验结果发现当用红灯照射时它们会一动不动地浮到水面上来。鱼类分布在海洋中各个不同的水层。人们一般习惯地把生活在海洋较底层的鱼类称为底层鱼类如我国的大黄鱼、小黄鱼、鲳鱼等而把生活在接近海面或海面以下的鱼称为中上层鱼类如我国的马鲛鱼、鲐鱼(俗称油筒鱼)、太平洋鲱鱼(俗称青鱼、青条鱼等)。中上层的鱼类一般都具有敏锐的视觉发达的测线以及适应迅速游动的体型所以捕捉比较困难。自从人们发现光对鱼的生活习性能产生影响之后近年来世界各国在充分利用底层鱼类资源的同时积极发展“灯光围网渔业”。这是一种先进的捕鱼方法利用灯光把鱼诱集起来然后用围网进行捕捉。昆虫的生长发育和生活习性与光也有密切的关系。生活在苍郁的林中植物的茎(或根)中、地下或大多数仓库中的昆虫由于它们习惯于弱光所以若增强其生活环境的光度则它们的活动就会受到抑制。而许多有翅的昆虫就具有很强的趋光性它们在夜间飞行时都是利用光线辨别方向的。利用这个特性人们常常用橙、黄、绿、蓝、紫和紫外光(因为昆虫看不见红光所以一般不采用红光)来诱捕大量有害昆虫侦察虫害发生的时期和数量。人们曾用不同波长、强度和照射周期的光做试验结果有趣地发现家蚕的幼虫在白色光线照射下(红色光次之)生长最快起眠也比较整齐当用绿色的光线照射时发现家蚕的结茧很大用短波光照射能促进蚕的生长而长光照射能迟延蚕的生长。光的颜色除了对昆虫的生长发育产生影响之外还能在一定程度上改变其生活的习性。如用黄色的光线照射蚂蚁时发现它们在受到刺激后能立即去搬移蚁卵当用绿色的光照射竹节虫时发现它们受到刺激后能立刻变色。植物和光的关系可以追溯到远古的年代。在白垩纪中叶以前根据当时植物的特征进行判断地球上还没有直射的阳光那时地球的表面是一片水汽雾和密密层层的云海。但自从白垩纪中叶起地球上开始有直射的阳光后这种浑浊的局面才逐步澄清大地也渐渐变得暖和起来了。环境的改变对于植物的进化起着决定性的作用。一种完全新颖的植物类型被子植物就是在这种形势下诞生的。它一经出现就非常迅速地在地球大陆上排挤裸子植物而大量地进行繁殖。对于植物来说光的作用是一种非常有用的刺激剂。它不仅对于植物茎的大小、形状、生长方向、生长程度以及茎上芽和分枝的产生能起到很大的影响而且能以直接的光压和辐射能为植物的生长创造最适宜的条件促使植物两种最基本的生命活动过程同化作用(光合作用)与蒸腾作用(水分的吸收和蒸发)顺利的进行。植物生命和光的关系还表现在其他的许多方面。如植物的开花时节与光照的关系就很密切:为什么鲜艳华丽的桃花必须在春回大地、群营乱飞的清明时节开放?为什么雅致素淡的荷花和灿烂多娇的兰花必须在炎热的夏季开放?为什么馥郁芬芳的桂花和瑰丽多姿的菊花必须在秋高气爽的中秋佳节开放?为什么清香贞洁的梅花必须在已是悬崖百丈冰的数九寒天开放?这种情形的出现除了和温度、水、肥料等因素有密切的关系之外有关的研究表明在很大的程度上光照的周期、光照的颜色对开花的时节能起到决定性的作用。生物界的热现象任何一个化学反应过程都因为参加反应的物质中原子最外层电子的运动状态改变而伴随有温度的变化。这个过程中温度的变化可能是负值(吸收热量)也可能是正值(放出热量)。温度变化是物质分子热运动的表现形式。分子运动愈快物质温度就越高。生物界的热动物的体温主要是由生物能(生命物质的化学能)提供的。这里我们既不讨论由体内分子热运动所表现出来的能量也不讨论生命过程中化学能的变化而主要讨论生物体热力学和生物对热信息的感觉器两个问题。在炎热的夏天南方的水牛喜欢到池塘浸泡鸡会张开嘴不停地喘息山羊躲藏在树荫下面⋯⋯这都是因为它们没有汗腺来调节体温。但人们除了寻找和制造凉爽的条件之外还可以通过汗腺来进行体温调节。在研究活机体与其环境间的热相互作用的时候可以沿用工程系统热力学的某些概念。活机体的热力学与化学过程的热力学差别很大而活机体与热机系统的热力学差别就更大。之所以产生这种差别是因为被看作热力学系统的活机体不断地发生产热的可逆反应而非生命热系统中若发生产热总可以看作是处于平衡的可逆反应。有些动物的体温是随环境温度的变化而变化的这类动物叫冷血动物有些动物的体温不大受环境的影响体温保持相对恒定叫恒温动物。体温是决定活机体内化学反应速度率的一个主要因素体温升高一度时基础代谢强度增加%。大多数高等动物的体温是恒定的其调节体温不是控制产热而是调节散热机能。恒温动物的散热主要是以红外线辐射的形式进行又因为红外线辐射携带大量的信息于是一些动物(特别是夜行动物)进化出了能接收红外线信息的器官例如蛇就是利用红外探测器在夜间捕食小鸟的。下面我们就顺便介绍一下动物的体外感受器。人们发现蟒蛇科的蛇的唇口和响尾蛇亚科的蛇的颊窝红外感觉器的效率超过了它的视觉其方向性和选择性比人造红外线探测器精确很多。因此瞎眼睛的蛇也能根据红外线辐射来追踪和捕获猎物。蛇还能在来自太阳、热石头等干扰场中识别活的动物对死鼠则不予理会。可见生物界的红外装置抗干扰和识别能力是很高的。感受红外辐射的还有深水乌贼。深水乌贼的热视眼分布在乌贼尾部的整个下表面。当热视眼接收到红外线信息后引发视觉神经产生脉冲脉冲信号被送入神经中枢加工、处理。此外蚂蚁、蚊子也对红外辐射很敏感。研究生物界的红外探测器探索生物界利用红外感受器接收、加工处理红外线信息的秘密将有助于研究、设计和制造新型的红外装置增强人类认识和改造自然的能力。电光鹰眼侵略者为向外扩张领土不断地在边境制造事端。一天拂晓狡猾的敌人以强大的集群坦克对我边境发起了进攻我指挥员获取情报后立即命令高空侦察机飞临敌方上空侦察。侦察机刚一飞入目标区就被敌人雷达发现他们刚要使用高炮射击侦察机突然跃升至l万米高空连敌人刚装备的新式防空导弹也望尘莫及。侦察机在高空启用电光鹰眼系统地面的河流、山峦、桥梁、建筑物在电光鹰眼的荧光屏上一览无余。突然飞行员发现公路上出现许多绿色亮点侦察员调节仪器精心观察荧光屏上显示出一群正在缓慢爬行的坦克于是立即把这一情况报告给司令部。不到分钟空军强击机群立即起飞据空中侦察员提供的方位很快捕捉到了目标还在坦克群毫无察觉中装有电光鹰眼系统的导弹纷纷射击顿时一团团火球四起先头坦克当即被击毁后尾坦克也被击中其余车辆前进不能后退不得只好等着挨打。不到小时敌坦克群全部被歼。在这场战斗中立下大功的电光鹰眼就是仿照鹰眼的结构原理制成的。鹰眼有两个中央凹一正一侧其中正中央凹能接收鹰头前面的物体像。中央四中的光感受器叫视锥细胞它的密度高达每平方毫米万个比人眼的密度要高倍。感光细胞越多分辨物体的本领就越大。此外它还有叫做梳状突起的特殊结构、能降低视觉细胞接收的强光。所以在强光下鹰眼不用缩小瞳孔也不感到眼花而仍然具有很高的视觉灵敏度。由于具备这些特点鹰眼能在空中迅速准确地发现和识别地面目标井能判断出目标的运动方向和速度大小这是人眼和普通雷达都望尘莫及的。因此人们根据鹰眼结构制造出了电光鹰眼系统这种电子光学装置配备有装上望远镜的电视摄像机和电视屏飞行员在高空中只要盯住电视屏就可以在飞机上看到宽阔的视野中的所有物体。生物界化学现象的启迪化学仿生学简介仿生学是一门妙趣横生的科学它既古老又年轻。说年轻是因为它在年才正式成为一门科学历史还不长说古老是因为几千年前就有人模仿生物的特点来制造工具。传说我国古代有个叫鲁班的木工模仿茅草边缘的缺口制成了锯子。近百年来人类向生物取得的学习成就就更多了例如飞机仿蜻蜓、潜水艇仿鱼、雷达仿蝙蝠等。这种对生物体形和机能的模仿是物理(机械)仿生学研究的领域这是人类第一次向生物学习。科学的发展日新月异生物学进入了分子生物学的时代。从分子水平上看生物本领之大更是人们见所未见闻所未闻。于是科学家们又开始向生物学习化学功能这是人类第二次向生物学习。这次学习使人们在生物学、化学等领域创造了数不清的奇迹形成了一门新的科学化学仿生学。生物体内的魔术师酶生物体内有一种奇妙的蛋白质叫做酶生物体内发生的一切化学反应都是在酶的催化作用之下实现的。酶是一种催化剂。说起催化剂少年朋友们也许会感到陌生举个例子就明白了。一块糖用火是烧不着的可是如果在糖块的一角撒一些烟灰一点火糖便可以烧起来。烧完以后烟灰还是烟灰并没有变化。在这里烟灰起了催化剂的作用。催化剂能促进化学变化但是在化学变化的前后它本身的量和化学性质并不改变。酶在生物体内也能起促进化学变化的作用所以我们可以把它叫作生物催化剂。酶是年由一个俄国人发现的。但是人类有意识的利用酶的历史则要长得多。我们的祖先远在多年前就知道利用霉菌的淀粉酶来酿酒。我国是世界上第一个使用酶的国家。酶字的一半是“每”字正巧说明了最早的酶是从霉菌来的也说明了酶的广泛存在和广泛用途。“每”种生物“每”个器官“每”个细胞里都有酶生物体内的“每”种生化反应都需要酶。酶的品种很多像个小王国目前的“人口”有两千左右。它们分工严格专一性很强一种酶品只能催化一种反应就像一把钥匙只能开一把锁一样。人和动物身体里有着各种各样的酶。一条蟒蛇囫囵吞下一只完整的小动物居然能把它消化掉这就是酶的作用。酶把这只小动物的身体分解成几种化学成分又把它们重新组合变成蛇的肌肉。这情形就像一队建筑工人拆了一栋旧房子然后又利用拆下来的砖瓦和木料建成一栋新房子一样在这一拆一建之中酶立下了汗马功劳。由于酶有这样奇妙的本领科学家们研究酶的秘密想要造出一种具有酶的功能而又比酶稳定的人工催化剂。前几年有个叫凯富尔的人成功地模拟了硫酸酯酶(也就是说他用人工的方法造出了硫酸酯酶)。据试验它的本领比天然的硫酸酯酶还要大这是模仿酶而又超过酶的第一个例子。后来又有人成功地模拟了过氧化氢酶和血红蛋白。血红蛋白有可能用于人工肺中以挽救垂危的病人也可以给登山、长跑运动员、潜水员带来方便。有一种酶叫固氮酶模拟这种酶现在已经成为农业科学的重要课题。大家知道各种庄稼在生长过程中都需要大量的氮肥空气中本来就有大量的氮可惜大部分庄稼都不能从空气中直接吸收需要人工施肥只有大豆、花生等豆科植物例外。这是因为它们的根部有大批根瘤菌根瘤菌里的固氮酶能利用空气中的氮合成氨供给植物吸收。固氮酶这东西远在年就被人发现了但是要人工造成这种酶很不容易科学家们经过几十年艰苦卓绝的努力才制成了有固氮本领的模拟酶。它们在室温(一般指摄氏度到度的温度)和常压下几秒钟内就可以使空气中的氮和水中的氢直接结合成“联氨”联氨经过加温以后可以释放出氨供植物吸收。氨是植物的“粮食”也是化学工业的基本原料不远的将来当人们能够大量生产固氮酶的时候氨的产量也会大大增加。到那时候化学工业和农业生产一定会飞速发展出现魔术般的奇迹。奇异的人工生物膜我们的身体是细胞构成的动物、植物、微生物的身体也是细胞构成的细胞是构成一切生物体的基本单位。细胞的形状多种多样不过它们的构造却是一样的一般由细胞核、细胞质和细胞膜组成。这三部分各有各的作用现在单说细胞膜。细胞是有生命的东西每个活细胞都需要从外界吸收它所需要的物质。谁来完成这个任务呢?就是细胞膜。它好比是细胞的“采集员”和“运输员”。它对细胞外围的物质并非什么都要而是严格挑选。不是细胞需要的东西它就拒绝接受不准通过凡是细胞需要的东西它就努力搜集并且运送到细胞内部。例如海带的细胞膜就有从海水中摄取碘的本领一般干海带里含碘%~%有的可高达比海水里含碘的浓度高出几万倍到十几万倍。有一种石毛藻的细胞膜有摄取铀的本领海参的细胞膜是钒的收集者。如果我们把生物细胞膜的这种本领学到手意义极大!它可以用干海水淡化、污水处理、气体分离、海洋资源的开发利用、微量元素的摄取等方面。目前模拟生物膜已经发展成为一门新技术并且取得了不少成就。举例来说:载人宇宙飞船飞上天以后由于宇航员的呼吸作用座舱里的二氧化碳越积越多。过去是没有什么办法处理的现在发明了一种人工生物膜它可以把氧从二氧化碳中分离出来消除座舱中的二氧化碳。还有潜水员不带氧气瓶下水就不能在水下长时间工作。为了解决这个问题科学家正在研制一种人工生物膜现在已经制出了样品并且用老鼠做了一次试验。老鼠装在用这种膜封闭起来的笼子里沉入水中居然能照常生活。原来通过这种膜水中的氧气可以进入笼中老鼠呼出的二氧化碳又可以通过这种膜排进水里。氧气可进不可出而二氧化碳则是可出不可进你看多么奇妙!也许用不了多少年潜水员就可以用上这种人工生物膜。转换能量的高手提起能源人们就会想到煤炭、石油等其实生物自身也可以产生能还能够把一种能转换成另一种能而且转换效率很高。为

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