生物形态的奇妙应用

1.从猫的胡子谈起

养猫和爱猫的人都会觉得猫是一种温顺、可爱的小宠物。它们确实如此，但它们却属于一个特殊的动物科——猫科，这个科的成员还包括凶猛的狮子、老虎、豹子，等等。无论猫的生活地区、体形、外表有多大差异，猫都有一个共同之处，那就是它们的身体条件非常适合捕猎，它们都是技能高超的捕猎能手。猫有着锐利的眼睛、锋利的牙齿、带钩的尖爪、柔软的脚垫，猫的视觉、听觉、嗅觉十分敏锐，甚至连猫嘴边的胡子都能帮助它敏捷地捕食。

猫的胡子根部生有极细的神经，触及物体时猫就能及时感觉到，所以猫的胡子是一个特殊的感觉器官。它伸展的面积与猫的身体一样宽，这就能使猫在黑暗、狭窄的通道中探测路径，摸清自己的身体是否可以通过。胡子能帮助猫在暗中感觉周围情况，如果猫的眼睛或耳朵都用不上时，胡子就能帮上大忙。平时走路、奔跑，猫也要靠着胡子感知周围的物体。特别是在捕鼠时，胡子可帮助猫探测鼠洞的宽度和深度，当胡子扫过老鼠的身体时，猫便能察觉老鼠的所在，从而帮助捕鼠。因此，胡子既是猫的“探测器”，又是猫的“计量仪”，可为猫提供很多方便。

许多其他的动物，特别是啮齿类动物，也有着触觉灵敏的胡子。鼹鼠除了在鼻子周围有一圈完整的胡子之外，末端还有着一串称之为爱默氏器的细微神经末梢。这些神经末梢的排列十分致密，可以与触须一起共同来识别洞穴中的空气碰到障碍物而产生的气流的方向和压缩波的方向。如果夜晚鼹鼠要出洞时，就以触须来试探洞穴外面的空气情况[9]。星鼻鼹鼠的鼻尖周围有排列成星形的22个很小的裸露的肉质附属物，这是一种特异的超灵敏触觉器官，事实上，这种器官还有味觉机能。它可帮助星鼻鼹鼠探测沼泽、湖底和小河深处的食物。

2.从蜘蛛丝谈起

很多人认为，蜘蛛只是用丝来织网捕食。其实，再也没有别的动物像蜘蛛那样妙用蜘蛛丝了。蜘蛛用纤细的蜘蛛丝来织造住所、卵袋、套索、救生索、钟型潜水器以及众所周知的蛛网（见图1-9）。实际上，蜘蛛不是昆虫，而是属于“蛛形动物”类。和昆虫不同，蜘蛛有八条腿，多数有八只眼，身体只有两节，无翼。蜘蛛在各种气候条件下都能生存。它们能在地上行走，能在树上攀缘，能在水面游荡，甚至还能在水中生活。

图1-9　形形色色的蜘蛛网

蜘蛛在位于其腹内的一些腺体中造丝。蜘蛛的腹部末端生有吐丝器官，这些器官内有许多小孔，蜘蛛丝就从这些小孔中压出。蜘蛛丝出来时是液体，一接触到空气就变为固体。蜘蛛能够制造出许多不同类型的蜘蛛丝。其中，具有黏性的蜘蛛丝用来织网，以捕捉猎物；不具有黏性且较粗的蜘蛛丝用作蛛网的辐条；还有一种不同的蜘蛛丝则用来编织卵袋。蜘蛛所编织的蛛网有许多不同的类型。“轮状网”是人们最为常见的一种；“皿网”的形状像漏斗或拱顶。活板门蛛则在网的顶端编织一个眼睑状的洞，用来捕捉猎物。还有的蜘蛛用蜘蛛丝编织成钟型潜水器，可使自己完全置于水中。

蜘蛛丝虽然十分纤细，但其强度和韧性相当惊人，一旦猎物被蜘蛛丝缠住，要想全身而退是难上加难。科学家们发现，蜘蛛丝是由大约17种氨基酸构成的蛋白质纤维，具有超强的韧性和抗断裂机能，同时还具有质轻、抗紫外线与生物可分解等特点，其优异的物理性质是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的。在物理性质方面，蜘蛛丝的密度在1.34 g/cm左右，与羊毛和蚕丝等蛋白质纤维相近[10]。除了外观闪亮有光泽外，蜘蛛丝还具有耐热特性。蚕丝在140℃便会产生黄化现象，而蜘蛛丝在200℃以下时则表现出优良的热稳定性，超过300℃时才会出现黄化现象。在力学性质方面，蜘蛛网圆周丝的初始模量虽比高强力芳香族聚酰胺纤维略低，但明显高于Nylon6^[1]，且圆周丝在蜘蛛丝中并不是强度最好的一种。需要指出的是，高强力芳香族聚酰胺纤维的断裂伸长率只有2.5%～3%，而蜘蛛丝的断裂伸长率为36%～50%，因此具有吸收庞大能量的特性。蜘蛛丝的耐低温特性也十分优异。据测试，蜘蛛丝在-40℃时仍具有弹性，只是在更低温度下才会变硬[11]。此外，蜘蛛丝几乎全部都是由蛋白质组成，故有生物分解与可回收等优点，不会对环境造成污染，符合可持续发展的要求。

由于蜘蛛丝性能优异，所以人类很早就对其展开了研究和利用[12]。在第一次世界大战期间，蜘蛛丝曾被用作望远镜和枪炮所附光学瞄准装置中的十字准线，但那时人们对其结构和性能还知之甚少。到了20世纪90年代，人们对蜘蛛丝蛋白基因组成、结构形态、力学性能等有了深入研究，为人造蜘蛛丝的商业化生产创造了条件。

天然蜘蛛丝主要来源于蛛网，产量很低，而且蜘蛛具有同类相食的天性，无法像家蚕一样高密度养殖，故想获得大量的天然蜘蛛丝十分困难[12]。随着现代生物工程技术的发展，用基因工程的方法人工合成蜘蛛丝蛋白将会获得新的突破，人类通过工业化途径获取大量人工蜘蛛丝纤维的梦想一定会实现。(www.xing528.com)

3.从生物电谈起

在一次国际自动控制技术学术会议上，当一个15岁的无手男孩用假手在黑板上用粉笔流利地写出“向会议的参加者致敬”的字样时，大厅里顿时响起了雷鸣般的掌声。人们兴奋不已、赞叹不绝，不断地向这种新颖控制技术的发明者表示热烈的祝贺。

发明者是怎样使假手能像真手一样工作的呢？其中生物电起到了关键作用。

早在18世纪末叶，科学家们对生物机体内的生物电流就已经有所认识[13-15]。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，都能产生相应的生物电，因而人们可以借助生物电来诊断各种疾病。

生物电的应用十分广泛，应用生物电来控制假手的运动就是其中之一。众所周知，人类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对应反应。如果人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，这种电讯号就可以直接去操纵由机械零件和电气元件组成的假手了。

国外曾经生产出一种机电假手，从肩膀到肘关节，使用了5只油压马达，手掌及手指的动作则利用2只电动马达驱动相应部件来完成。手臂在发出动作之前，利用上半身的各肌肉电流作为假手活动的指令，即在人体背脊及胸口安放相应的电极，用微型信号机来处理产生的电流信息，上述7只马达就能根据假手主人想做的动作进行运转。这种假手的动作与真手所能完成的动作大致相同，由于主要部分采用了硬铝及塑料，故其重量还不到2.63 kg。据报道，这种假手已能够做诸如转动肩膀、手臂和掌，以及弯曲关节等27种动作。它能为因交通及工伤事故而被齐肩截断手臂的残疾人解决生活和工作上的许多不便。

苏格兰一家假肢制造公司最近推出一种每根手指都装有电动机的人造手，该人造手具有多种抓取模式[16]。普通的人造手像镊子那样用拇指、食指和中指夹东西，形象僵硬，而且十分不便。这种新型人造手则模仿了人手的抓取动作，即5根手指以适应物体形状的方式进行抓握。该公司的营销主管菲尔·纽曼说，这样不仅所需的抓取力更小，而且手掌的运动也更加自然美感。

这种新型的人造手由两个肌电传感器控制。传感器安装在手臂残端，记录屈肌或伸肌绷紧时皮肤产生的电流。假肢使用者能以这种方式发出让人造手张开或攥紧的信号。因每根手指都可接受指令单独运动，这种新型人造手可做许多种动作。例如使用者可以伸出食指来操纵键盘。研究者认为这种新型人造手更加适合残疾人日常生活使用。

人造假手的出现不仅为残疾人带来福音，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。这对扩大人类的生产领域、提升人类的工作能力将会产生巨大的影响。

生物电的研究，对于农业生产也具有巨大的意义。向日葵的花朵能随着太阳的东升西落而运动；含羞草的叶子一经扰动就会闭合起来。这些现象都是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，另一个电极则放在植物的基部，结果发现两个电极之间能产生30 mV左右的电位差[17]。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。