糯米txt论坛☆+100仿生学-第2章
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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15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18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2。63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27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1。5公斤；握力达1公斤；可以提10公斤的人造假手。其工作能源是由11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30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500千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0。68A。当电压为0。23V；负载电阻为500Ω时；则老鼠最大的输出功率能达155μW。
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100万倍；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350V的电压；电鳗则能产生500V以上的电压；大鳐鱼产生的电流能把50A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2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0。3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600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80V左右。大鳐鱼的一个电脉冲；甚至能使六个100W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2米；休重约20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50厘米的电鳗；就能放出电压为40～300V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1／25～l／28；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15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。
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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100毫瓦的功率时；就能与250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1504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2000奥斯特的磁场中停留15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22；000奥12毫米和9000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10分钟磁处理的果蝇；有50％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5～10％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18～25℃）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4000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
