第23章 漫谈生物与仿生(2)

我们人以及不少动物，都是用鼻子来闻味的。苍蝇没有鼻子，它是用触角闻味的。苍蝇的触角上，分布着许许多多的嗅觉感受器。每个感受器都有上百个感觉神经细胞，这些细胞不但能够感觉极其微量的气态物质，而且可以将气味刺激立即转变成神经电信号。这些神经电信号经嗅神经传向苍蝇的脑，从而产生嗅觉。

科学家们根据苍蝇嗅觉器官的优异功能原理，采用电子技术制成了高灵敏度小型气体分析仪，已经用于分析宇宙飞船座舱里的气体成分。苍蝇触角的功能原理，还可以用来改进电子计算机输入装置的性能哩！

与苍蝇的生活习性相适应，它还有一身漂亮的飞行本领。一只小小的苍蝇，竟能一直不停地飞行好几个小时，每小时可以飞行二十公里。它还有几手绝招——直向上升、垂直下降、急速掉头飞行、定悬空中，这是任何现代飞机都做不到的。很显然，深入探索苍蝇飞行的秘密，对新型飞机的设计一定大有好处。

我们都知道，苍蝇有两只翅膀。实际上，更确切地说苍蝇是有四只翅膀。因为在它前面的翅膀（前翅）之后，还长着一对状似哑铃的小棒，这是退化了的后翅遗留下来的痕迹器官。这对小棒叫做楫翅，也叫平衡棒。

平衡棒虽小，但它在苍蝇的起飞过程中，在控制飞行中，却起着极重要的作用。假如我们把这对平衡棒给它切掉，那么这只苍蝇就会东冲西撞，它的全套飞行技巧好像一下子全部“忘掉”了似的。

平稳棒可以调节翅膀的运动、保持蝇体的紧张性，以使苍蝇能腾空一跃不用跑道而直接起飞。

但平衡棒的最重要的功能，则是作为一种“天然导航仪”来控制蝇体的平衡，并为其飞行导航。苍蝇飞行时，平衡棒以一定的频率不停地振动着。当蝇体倾斜或偏离航向时，平衡棒的振动平面就会发生变化。平衡棒基部的感受器马上会感觉到这种变化并报告给蝇脑，苍蝇会立即校正身体姿态和航向。

科学家们根据苍蝇平衡棒的导航原理，研制成了一种小巧的新型导航仪器——“振动陀螺仪”，已经应用在火箭和高速飞机上，保证了飞行的稳定性并实现自动驾驶。

和象鼻虫的眼睛一样，苍蝇的眼睛也是复眼，每只眼睛由三千多只小眼组成。每只小眼表面呈六边形，镶嵌排列的整整齐齐。

当小心地剥下苍蝇复眼最外层的角膜，并把它放在显微镜下进行成像观察时，我们会惊异地发现，对于同一个目标却形成了许许多多个相同的象。所以会出现这种现象，是因为每个小眼的角膜（光学系统）都形成了一个像。人们模仿苍蝇复眼光学系统的这一结构和功能特点，用许多块小透镜有规律地紧密排列胶合起来，制成了一种新型光学元件——“蝇眼透镜”。用它作镜头制成的蝇眼照相机，一次就能照出千百张相同的像来。蝇眼照相机已经用于印刷制版以及复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。

科学家认识蜂巢的结构——应用蜜蜂建造蜂巢的本领，令人佩服。达尔文就曾经说过：“（蜜蜂）巢房的精巧构造十分符合需要，如果一个人看到巢房而不备加赞扬，那他一定是个糊涂虫。”这些小小的动物，它们用蜂蜡一昼夜可以造出几千间巢房。而且每间的体积几乎都是0.25立方厘米，壁厚都精确地保持在0.073±0.002毫米范围内。如果你仔细进行观察就会发现，每个巢房从正面看去都是正六边形（每个角都是120°），而它的尖顶形的底部则都是由三个完全相同的菱形拼接而成的。十八世纪初，法国学者马拉尔琪经过测量发现，所有的底部菱形的钝角都等于109°28′，而其锐角都等于70°32′。法国物理学家列奥缪拉由这个有趣的发现得到一个启示：蜂房的这一特殊形状，可能是为了保证得到同样大的容积而所用材料最省。后来，经过一些数学家的计算，证明确实如此。多么令人惊奇，小小的蜜蜂在人类有史以前就已经解决了的问题，十八世纪的数学家竟要用高等数学才能解决！我国著名数学家华罗庚教授还曾专门对中学师生作过题为《谈谈与蜂房结构有关的数学问题》的讲演呢。

蜜蜂的巢房不仅能以最少的材料获得最大的居住空间，而且能以单薄的特殊结构获得最大的强度。人们发现，用几层普通的纸做成的具有蜂窝结构的拱形板，竟能承受一个人的体重。

蜂窝结构中的力学问题，早就引起了科学家们的注意，人们已经仿制出了各种各样的蜂窝结构材料。人造的蜂窝结构材料，重量轻，强度和刚度大，而且绝热和隔音性能良好，现已广泛应用于飞机和火箭的建造以及建筑结构上。

鱼儿的呼吸

你看到过潜水员水下作业的情景吗？你记得他们那奇特的装束吗？人们在水中活动，是要受到很大的阻力的，潜水员们再背上两个象炮弹似的钢瓶，行动起来不是就更不方便了吗？他们为什么一定要背上沉重的钢瓶呢？

我们知道，人是要不停地呼吸的，吸入氧气，呼出二氧化碳。假如不能通畅地进行呼吸，人就会因为得不到生命活动所必须的氧气窒息而死。人生活在空气中可以自由呼吸，在水里则不能自由呼吸，潜水员背着的钢瓶，里面装着氧气，就是供给他们在水下呼吸用的。带着氧气瓶，行动起来肯定不方便，但为了能够在水下有较长的作业时间，也只好背上它。

你也许看过美国科学幻想系列影片《大西洋底来的人》，影片主人公麦克·哈里斯在海中的生活本领实在令人羡慕。

看到麦克在海水中竟能和我们人类在空气中一样呼吸自由，不禁使人们感叹不已：要是人类的潜水员也能象麦克那样摆脱沉重的氧气的束缚，那将为海洋资源的开发活动带来多大的方便啊！

科学家们早就在研究这一课题了。然而，他们并不迷恋和等待象麦克那样的“超人”的诞生，而是要凭借人类的智慧去把水生动物们在水里呼吸的本领学到手，使自身真正成为掌握这种本领的“超人”。

水生动物的呼吸方式也各不相同。鲸、海豚、海狮、海豹、海象等海洋哺乳动物，和我们人类一样是用肺呼吸的，因此它们需要经常地浮出水面，露出呼吸孔进行呼吸。当鲸在水面呼出废气（二氧化碳）时，海水会跟着向上喷射，形成一股喷泉似的“喷潮”，有时竟高达十几米。这种呼吸方式使得它们一次潜水最长不过60分钟（鲸）。只是由于这些水生动物在水里行动迅速、来去自如，因此这种呼吸方式对它们的活动并不构成困难。然而，对于游泳本领远比它们低下的人类来说，靠这种呼吸方式就不能很深地潜入水中了。更何况，人在水中“憋气”最长不过一、两分钟，如果迅速地从深水中浮出水面又会得潜水病，这样频繁地上下游动怎么得了！鱼类的呼吸，才称得起是真正的水中呼吸，鱼的一生都离不开水。去掌握鱼儿呼吸的本领，或是根据鱼儿呼吸的原理制造出可以帮助人们在水下呼吸的轻巧装置，便成了当今人类向海洋进军所面临的一项重要科研课题。

人和哺乳动物的呼吸器官是肺，在肺泡里不停地进行着气体交换：空气中的氧气进入体内，体内的二氧化碳排出体外，因此，人和哺乳动物只能在空气中呼吸。鱼类却不同，它们的呼吸依靠的是特殊的器官——鳃。鳃专门能够吸取溶解于水中的氧气，因而使鱼适合于在水中呼吸。

在家庭的养鱼缸里，在水族馆的水族箱中，在拍摄的关于海洋动物的电影画面里，我们可以仔细地观察那些五光十色、千奇百怪的鱼儿。鱼儿们游得多好！它们还一刻不停地用口吞着水——也许有人会说，这是鱼儿们在不停地喝水呢！这你可就错了。鱼类虽然也喝水，但我们看到的用口吞水，主要并不是在喝，而是在呼吸：进入口中的水经过鳃，而后由鳃孔流出。在水流过鱼鳃的过程中，鱼体内生命活动产生的废气（二氧化碳）就由鳃排出了体外，而生命活动所需要的氧气则由水中进人体内。我们可以做一个简便的实验，证实鱼类的这一呼吸过程。烧一锅开水，倒入盆中，水凉到室温时，把一尾活鱼放进去。我们会看到，过不了多久，这尾鱼就会浮到水面，用口急促地吞起水来。这表明这尾鱼呼吸困难、濒于死亡了。

因为烧开的水中，原来溶解在里边的气体都跑掉了，所以冷开水是缺氧的水。在缺氧的水中，鱼儿是不能生存的。

鱼鳃一般都有鳃盖覆盖着，鳃是由象梳子一样紧密排列着的鳃丝组成的，鳃丝的两侧又排列着突起的鳃小片，鳃小片上密布着微小的血管，所以鱼鳃呈红色。当水流经鳃丝时，鳃小片上的微血管就摄取了溶解在水中的氧气，同时把二氧化碳排入水中，从而完成了呼吸过程。

鱼鳃所以具有上边所说的那种气体交换的功能，关键就在鳃小片上有着一层奇异的膜（即细胞膜）。这种膜特别薄，具有特殊构造，使它具有选择性的通透性：鳃小片外侧的水、除了氧以外的其他气体以及内侧的血液都不能通过这层膜，唯独溶解在水中的氧气可以通过膜进入鳃小片，也只有二氧化碳才能通过这层膜进到水中。这又一次告诉我们，生物界的奇异本领是由于他们有着奇异而精巧的构造！

人们模仿鱼鳃的构造和功能，研制成功了一种具有类似鱼鳃功能的“半透膜”。这种膜由两层橡胶薄膜（每层仅厚1.27微米）构成。在一个方向上，它只允许溶解在水中的氧气通过，而水和其他气体则透不过。在相反的方向上，它又只允许二氧化碳气通过，别的一切都透不过。人们做了这样的实验，用这种薄膜作壁制成了一个容器，把一只老鼠放进这一容器，再把容器连同其中的老鼠沉入水中。结果，这只老鼠在水下生活得很好，因为它在这样的容器中能够进行正常的呼吸活动。老鼠呼吸所需要的氧气是通过薄膜从水里获得的（水里溶解有氧气）。老鼠呼出的二氧化碳则通过薄膜排入了水中。

用作“人工肺”，来保证血液中含有足够的氧。原则上说来，把一捆这样的半透膜装在潜水面罩上，潜水员就可以象鱼那样直接从水中吸收氧气了。

不过实际应用起来也还具有一定困难。实验证明，一平方米半透膜每分钟只能透过10立方厘米的氧气。而一个人在静止不动时，每分钟至少也需要200立方厘米的氧气，就是说至少要有20平方米半透膜才能保证一个人的正常呼吸所需要的氧气。

膜是那样薄，面积又那样大，因此实际应用还要先解决一系列技术问题。目前，这种半透膜还只是用作水下呼吸的辅助器。

尽管这种从水中摄取氧气的薄膜离实用还有一段距离，但它已经向人们展示了一幅诱人的前景。著名的法国深海研究家科斯蒂奥曾经预言，到2000年时人们将可以用“人工鳃”

从水中直接吸取氧气，因而可以在水下城市和工厂生活和工作，就象在陆地上一样。我们相信，随着科学技术的发展，总有那么一天人可以作为“水中人”而在水下长时间自由生活。到那时，海洋就再也不是鱼类等水生动物的一统天下，这个水中世界的主宰者必定成为学会了鱼儿呼吸本领的人类了。

游泳能手

青少年朋友们大概都十分熟悉清澈见底的游泳池水，也许你们正是在那里学会了游泳，又在那里观看过游泳健将们的精湛表演。可是，你们是否见到过碧波荡漾的湖泊、滚滚东去的江河，见过白浪滔滔、浩瀚无际的大海？

你们中的许多人一定都仔细观察过鱼缸里的金鱼，一些青少年朋友还在水族馆里看到过好多种海洋动物，你们知道这些动物在水中是多么悠然自得。然而，你们大多数人，并没有在江河湖海里细致地观赏过水生动物无与伦比的游泳技巧。

你们是否知道，和这些水生动物比较起来，人的游泳是多么的笨拙；如果举行一场游泳比赛，人类的游泳冠军也许要败给许多游速并不是最快的鱼类。

嘴似利剑的箭鱼，每小时可游110-125公里，速度比火车还要快。

身体软绵绵的乌贼，一般情况下每小时可以游上50公里，最大时速则可以达到150公里。有“海上霸王”之称的虎鲸，时速为55公里。体长近20米、体重近100吨的庞然大物——抹香鲸，每小时也能够轻而易举地游上20公里。10000多种各色各样的鱼，都是游泳能手。就连一条小小的鳟鱼，时速也有10公里，而稍大一些的鲸鱼时速可达40公里。总之，水里的游泳能手实在是太多了。

在军事上，速度快就能够争取到时间，而时间就是生命，时间就是胜利。因此，人们十分关注速度的提高，一直在想方设法提高各种飞机、战车和舰艇的速度。现代空军截击机的最大速度，已经超过三倍音速（约3700公里／小时）。核动力攻击潜艇，水下航速已经达到每小时60多公里。使用燃气轮机作动力的导弹快艇，时速已达70-80公里。还有一种反潜艇气垫快舰，时速竟达到了150-185公里。

虽然，现代海军舰艇的航速已经大大提高，但在“航行效率”以及速度快慢各个方面，都还远远落后于水生动物。比如，体长仅有2-3米的鲸类动物——海豚，以其有限的体力，却可以毫不费力地超过核动力潜艇；对于一只上百吨重的鲸，按照它现有的游速（20公里／小时），从船舶航行的角度去衡量，本应需要大约450马力的动力，而实际上这种动物只有大约60马力。也就是说，海豚、鲸等动物动力的有效利用率要比船只高6-7倍。那么，水生动物在水中的运动为什么会比人造的船只“省力”呢？总括起来可以说，这是由于水生动物在水中运动所受到的阻力较小的缘故。