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第13章 生物仿生的故事(3)

一些有鳔的鱼,鳔就是它们的浮箱,而且更为轻巧。从发生上看,鳔是由食道上分出来的一个小泡发展而成,通常呈长囊形,有的呈马蹄形,如鲶鱼有的由中间凹陷成两个囊状。如鲤鱼有的鳔上分出一些盲囊,如鳕鱼鳔壁由内外两层组成,外层是扁平或柱状的皮膜组织,内层是弹性纤维性的结缔组织,使鳔能承受内外压力。有的鱼鳔有一短小的鳔管与食道相通。有的鱼没有鳔管,鳔内壁一般是光滑的,但也有分隔的,鲂鮄鱼的鳔由一纵隔分成左右两室,很多种鲶鱼的鳔内有T字形的隔把鳔分成三室。雀鳝的鳔内成蜂窝状。如果用脚去踩破一个鳔,会发出“啪”的响声,证明鳔内充满气体,鳔内的气体主要是氧、氮和少量的二氧化碳。海水鱼比淡水鱼鳔内含氧气多,一些深海鱼的鳔含氧更多,几乎占到90%左右,鳔内气体是由鳔壁血管内的血液中分离出来的。一般来说,有鳔管类的微血管多半集中在鳔内面一二处,呈斑状,叫红斑;无鳔管类微血管形成腺状,叫红腺。根据检测,深海鱼类血液中氧气的压力大约是空气的,鱼鳔内的压力则为40大气压以上。鱼又是怎样把血液中的气体压入这样大的气压的鳔内呢?是通过红腺和红斑分离氧的作用。当血液流至红腺和红斑处,这里的细胞把血球中与血色素相结合的氧气分离成游离状态的氧,使它变为鳔内气体,当鱼下沉时,鳔内气体又回到血液中去。鱼类居住的水层愈深,鳔内含氧愈多,红腺和红斑也愈发达,这一点可以证明鳔内气体的出入与血液有关。有鳔鱼类调节鳔内气体的变化来控制鱼体的沉浮,鳔内气体多,鱼体比重减少,就浮上来,鳔内气体减少,鱼体比重大,就沉下去,如果使身体比重与环境水的比重相等,就不沉不浮,保持一定位置。

鳔是鱼类特有的调节身体沉浮的器官,但是并不是所有的鱼都有鳔。由于鳔内的气体充入或排出过程,即使最快,也总要有一个时间。如果鱼需要紧急下潜或上浮,这时鳔反而起着一个阻碍作用,所以有些快速游泳的鱼,如蓝点马鲛鱼、 青甘金枪鱼和所有的软骨鱼以及一些深海底栖的鱼类都没有鳔,但是它们仍能自由地上浮下潜。如果说人类靠自己的智慧发明浮箱来解决潜艇的沉浮,并没有及时地从鱼鳔中得到什么启发和帮助,那么人们若想设计没有浮箱的新型潜艇,是不是可以从无鳔的鱼类和其他水生动物中得到一些启示和帮助呢?

到海底去,除了要解决沉浮问题外,如何抵抗深海的巨大压力也是要解决的。人平时所承受的大气压力约为每平方英寸15磅,而水下3000英尺深度的压力达到每平方英寸四分之三吨。用作科学考察的美国特里斯特号深海潜艇能下潜35800英尺,那里的压力超过每平方英寸16000磅,仍然有鱼类活动。为了抗压,潜艇的外壳大都采用抗高压合金钢;特里斯特号的乘客舱的外壳厚度达到7英寸。然而,不管是乌贼还是鱼的皮肤与它相比又是显得多么薄,深海潜水艇的沉浮系统没有采用浮箱,而是用一艘充满比水轻的航空汽油的“气船”,它既能沉浮又能抵抗深海的巨大压力,球形的乘客舱连接在“气船”的下面。有一种深海乌贼叫酸浆乌贼,它具有类似深海潜艇所用的”气船”的构造。大多数乌贼的体腔都已退化成围心腔、肾管内腔和生殖腺外面的囊腔等,而酸浆乌贼还存留有真体腔的地方,腔内充满一种比水还轻的含氨液体。这个低密度液体”气船”帮助酸浆乌贼上浮,并起有抵抗深海压力的作用。

回声定位和蝙蝠仿生

第二次世界大战期间,德军制定了一个叫“海狮行动”的军事计划,动用2000架飞机突然袭击伦敦,企图一举摧毁英国。为了保证这次空袭成功,事前派遣了一个特工小组潜入英国,破坏英国雷达网中心。在这个危急时刻,英国反间谍人员及时破获了这个特工小组,使英国能够以1000架战斗机在雷达的监测下,击退了当时不可一世的德国空军。事后,英国首相丘吉尔在向全国广播时说:“1000名皇家空军挽救了英国”。这次战役,英军能够以少胜多,当然是由于英国皇家空军的英勇奋战,但是雷达在其中显示的威力也起着很大的作用。

雷达和声呐都是人为的监测设备。雷达是用电磁波的反射发现目标并测定其位置的电子设备;声呐是利用声波的反射探测目标和测距的仪器。远在人类利用雷达和声呐千百万年前,在自然界,不少动物,如蝙蝠、海豚等早已在应用它们自身的声呐系统来定位、捕食、绕过障碍和逃避敌害。而且在结构的精致,效应的灵敏等很多方面都是目前人工雷达和声呐系统还办不到的。虽然人为的雷达和声呐是对一些动物回声定位的一种迟到的仿生,但是,深入研究一些动物的回声定位,势必会给完善人为的雷达和声呐许多有益的借鉴。

物体振动才能发声,声音以波的形式在媒介中传播,当声波碰到障碍物时就会反射回来,反射回来的声波传入耳朵就是回声。如果回声到达耳朵比原来的声音滞后0.1秒以上,就能把回声与原来的声音区分开来。因此根据声速和回声滞后时间就能测出发声体与目标之间的距离。人耳能听到的振动频率范围约在20~20000赫兹之间。因此,把低于20赫兹的声波称次声波,高于20000赫兹的声波称超声波。利用回声定位的蝙蝠能发出和听到的超声波超过每秒150000次振动,这样高的频率的声波,如果人耳能听得到,就会有震耳欲聋的感觉。蝙蝠发出的声波是极短促的,还不到千分之一秒长,而且是不连续的,并以脉冲的形式发射出来,这样可使发出的声波有较大的能量,也容易听清不连续的回声。有不少蝙蝠如菊头蝠科和蹄蝠科等在鼻部有复杂的鼻叶,是由鼻子周围的皮肤褶瓣形成,鼻叶沿鼻孔围成一圈,就像喇叭筒一样,这样就能把超声波集中成一狭窄的波束发射出去,使它传得更远。从鼻叶的着生部位来看,可能这些蝙蝠的超声是从喉头产生经由鼻孔发出的。蝙蝠不仅能调制声波的振幅,改变声音的强度,也能调制频率。一只蝙蝠飞行中每秒重复它的叫声20次,但是当收到有用的回波后,立即会兴奋起来,发出每秒200次以上的脉冲,进行确切地探测。有些蝙蝠在外耳基部有一片皮肤瓣叫做“耳屏”,种类不同耳屏的形状也不同。值得注意的是,一般有复杂鼻叶的蝙蝠大多数都没有耳屏,而有耳屏的一般都没有复杂的鼻叶。这样就不免使人联想到一个问题:如果鼻叶同声音的发射有关,那么耳屏是不是同回声的接收有关?研究过蝙蝠的人都知道,菊头蝠科的蝙蝠的外耳特别大。即使是倒挂着的时候,它们的双耳都在不停地向各个方向微微颤动,这显然是在收集声波的动作。此外,它们的股关节特别柔韧,倒挂时几乎能作360°弯曲。蝙蝠的内耳也很大,两个耳蜗占据了后颅腔很大位置。耳蜗螺旋韧带很发达,在近鼓阶处还有一个螺旋板,这些结构都是蝙蝠对回声的接收具有高灵敏度的基础。声音是会被干扰的,蝙蝠抗干扰的能力非常强。人造的声学仪器当噪声强度与它发出的声波强度之比为1∶1时就开始失灵了。但是,实验证明:在一间布满细铁丝的暗房内,用噪声去干扰一只蝙蝠的飞行,即使噪声和信号声之比高到100∶1时,蝙蝠飞行照样不会碰撞细丝。很多蝙蝠都有聚群的习性,一个山洞中聚集有千万只蝙蝠是常有的事,如此多的蝙蝠同时发出的超声波而彼此不受干扰又是多么令人羡叹!

由于声波透过空气和水这一界面时,从水中物体返回到空中接收到的回声声波几乎下降了100万倍以上,因此,从空中收听来自水中的回波是很难的。但是,一种食鱼的兔唇蝠就能从空中探测到水中的鱼,并能把握住最好时机,俯冲下来将鱼抓获。当然兔唇蝠是贴水低飞觅食的,这样可以减少声波通过水面时的损失。

最令人不可思议的是现代的声呐和雷达装置,重量以吨为计算单位,体积以百立方米计,而一只盘翼蝠的头和体长只有34~52毫米,平均体重只有4.2克。要知道这还不是最小的蝙蝠。就在这样小的一个躯体内竟装置有如此精密的声呐系统,难道不值得人们去深入研究吗?

味觉的仿生

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,远比单一感觉的作用效果要好。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;菌状乳突,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,但在人类则已退化,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。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质的部分。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已游来的猎物,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跨部内凹的弯曲小管,叫锄鼻器或贾科勃林氏器。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。

翅痣、减振器和飞机

亨特是一位优秀的飞行员。那天,天气晴朗,地勤人员对他驾驶的飞机作了精细地检查,一切机件都属正常。亨特熟练地驾驶着银鹰起飞了。飞机在空中高速飞行,时速已达600公里,不久,他觉得机身异乎寻常地一震,突然机翼折断了。幸亏亨特早有准备,及时跳伞,但飞机却坠毁了。像这类飞机在高速飞行中机翼突然莫名其妙地折断的事故已发生过多起,科学家们对此进行过很多研究,但一直未弄清原因。最后,才知道是颤振作用使机翼折断。

颤振是气体动力学中一种气动弹性现象,飞行器结构在匀直气流中,由于受到空气动力、弹性力与惯力三者的共同作用,而产生一种自激振动,飞行越快,机翼受到动力作用,使机翼的振幅越来越大,最终将机翼折断。问题找出后,飞机设计师们在机翼前缘离翼端不远处安装了一个加重装置,减除颤振,终于解决了机翼折断的问题。然而,善飞的蜻蜓的双翅薄到透明,但飞行速度每小时可达140公里,它的双翅却未见折断,又是怎样抗颤振的呢?昆虫学家发现在蜻蜓的前后翅的前缘,离翅端不远处,也有一块深色的角质组织加厚区,叫翅痣,如果将翅痣去掉,蜻蜓在飞行时,同样也会折断双翅。证明正是这块角质组织使蜻蜓双翅消除了颤振的危害,蜻蜓的翅痣与飞机的抗颤振装置简直如出一辙,如果飞机设计师早知这一奥妙,在抗颤振研究上就会少走很多弯路。类似这种吻合的例子还有很多。

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