书城童书《生物仿生知识篇》(上)
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第11章 其他生物技术(2)

原来在大自然里,有的植物种子会像降落伞一样在空中飘舞,有的像长了“翅膀”,可以随风飘得很高,降落到遥远的地方。这种带“翅膀”的种子叫做翅果,“翅膀”就是它们的飞行器。槭树、榆树和椿树等的种子都带有这种“翅膀”。

翅果降落时,“翅膀”就连着种子旋转起来。由于它的自旋中心和重心往往是重合在一起的,又因种子非常轻,因此能稳定而缓慢地降落。翅果的这些特征,便成了德国近代飞机创造的飞翔原理。

仿生技术的结晶——电脑

人的大脑,是一个充满秘密的黑箱,至今还没有彻底弄清楚。例如,人脑有100~150亿神经元,在人的一生中,每小时有100个神经元会发生故障,而在一年之内就有876万神经元功能失调。例如一个人活到100岁,就有10亿个神经元不能工作。但我们的大脑并不会因为有10亿个神经元发生故障而停止工作,它照常能进行思维。可是一台电脑,如果有一个电子元件发生故障,就会停止工作。

神经系统的这种保证其可靠性的连接原理,自然给电脑专家极大的启示。研制如同人脑那样具有可靠性的电子线路,即使有一半电子元件发生故障,也能正常工作。这样的电子线路用于电脑,它的可靠性将会大大提高。

再如人脑的记忆力极强,它的记忆容量可达到1015比特,高于电脑千万倍。科学家估计全世界图书馆共藏书近10亿册左右,与一个人的记忆量相当。电脑虽然计算速度极快,但它无法处理模糊信息,即使一对双胞胎站在电脑面前,它不能立即作出回答。而我们人脑却可以做到。这是因为我们人脑可以对面前双胞胎的大量信息处理加工,作出判断。

电脑的发展是迅速的,它也会越来越接近人脑。这就是现代仿生技术向人脑学习的最新成果。

应用于体育的仿生学

仿生学在体育方面的应用,有着悠久的历史。人类早就认识到飞禽走兽的活动功能,设法模仿它们的动作,以增强人们的身体素质和活动能力。

在春秋战国时期,人们编出了“二禽戏”来进行锻炼。到了后汉末期,名医华陀根据虎、鹿、猿、鸟的自然动作,又将“二禽戏”发展成为“五禽戏”。我们现在的太极拳运动,也模仿了许多禽兽的动作。例如,“白鹤亮翅”动作就是模仿善飞的白鹤展翅欲飞动作而来的,这个动作既美观,又能达到伸舒筋骨、开阔胸怀的目的。还有一些像形拳,如猴拳、鹰拳、螳螂拳等,则更像动物的原始动作,颇受人们的喜爱。

仿生学在提高运动技艺方面也有广泛的应用。例如跑步,起初,人们在田径比赛中的起跑姿势是直立的,所以速度不快。后来,人们根据袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来起跳的方法,采用了下蹲式的起跑姿势,果然,跑动后的速度要比直立时快得多。又如游泳,青蛙是游泳的能手,人们模仿青蛙游泳姿势,创造了“蛙泳”。

在优美的体操运动中,也有许多仿生动作,如鱼跃滚翻、燕子平衡等动作,都是因仿生而得名的。随着仿生学的发展,它和体育运动的关系越来越密切,同时也越来越广了。

识别机

识别机是模仿生物感官和脑的部分功能的一类特殊的电子计算机。随着现代科学技术的发展,人们把许多工作交给机器去做。例如认识图像、分辨声音、嗅辨气味等,本来这是人的工作,而现在却可以由识别机去做了,它们做得比人还认真。

在苹果园,过去分拣苹果等级全靠人去做,哪一个色好,哪一个大,只能由我们的眼睛去辨别,因此难免发生漏拣。而苹果分选机根据苹果的颜色、大小和软硬,就可以十分准确地把苹果分为几个等级。传送带把苹果送来,识别机的“眼睛”——一种带有光学扫描器的仪器观察苹果的颜色和大小,另一个装置则检查苹果的软硬。它们把获得的信息传给识别机的’

脑”去处理,机器脑把新进来的信息与早先贮存的信息相比较,决定苹果的类别,同时启动开关,把被检的苹果分送到适当的分装箱里。用苹果分拣机分检苹果,比人工快许多倍。

在邮电局用的信件分拣机也是这个道理,信件分拣机是对邮政编码进行识别。标准信封上必须有邮政编码,不同的编码代表不同地方的邮局管辖范围。这种自动的信件分拣机代替过去的人工分拣,可大大提高工作效率。

高效运转的恐龙钻头

恐龙是史前巨型爬行动物。为了维持生命,这种大型动物每天至少得吃好几吨食物,可是恐龙偏偏长着一张小嘴,那么,恐龙是怎样解决摄食问题的呢?

科学家在研究鸭嘴龙化石后终于找到了答案。原来,鸭嘴龙的牙齿结构很特殊,在牙床上重重叠叠地长着一排排牙齿,大约有400~500颗。如果上面的牙齿磨掉了,下面的牙齿就会补上去。鸭嘴龙一生中要磨坏上千颗牙齿。同时,为了防止牙齿磨损后无法吃食物,它的牙齿还是双层的,外层的牙齿不能使用了,内层的牙齿就自动递补上来,继续使用。

现在,机械设计师模仿鸭嘴龙牙齿的排列形状,设计制成了一种恐龙钻头,它的钻进速度是一般钻头的1.5~2倍。这种新钻头也模仿鸭嘴龙的牙齿,装成了两层,内层的齿嵌在较软的材料上。当外层的齿磨钝了无法使用时,钻头继续旋转,就会将这层软材料磨掉,露出内层的齿,于是钻头又可继续钻进了。这样,钻机就减少了调换旧钻头带来的麻烦。真想不到,史前生物鸭嘴龙也能为现代科学技术作贡献。

沙漠中行走的跳跃机

在干燥炎热的大沙漠里,狂风飞舞,气候变化异常,交通很不方便。多少年来,“沙漠之舟”——骆驼成了沙漠中最好的运输工具。

那么,能不能发明一种在沙漠中运行的交通工具呢?

在澳大利亚草原和沙漠地带生活的袋鼠,是世界上跳得最高的动物,它的两条前腿又短又小,后腿却非常发达,身后还有一条1米多长的尾巴。它的运动方式与众不同,不是一步一个腿印地前进,而是用后腿跳跃前进,往往一跳就有2~3米高、7~8米远,每小时可以跳50~60千米。袋鼠用这种独特的运动方式寻找食物,躲避敌害。

袋鼠这种独特的运动方式给了人们启示。于是,机械设计师模仿袋鼠的运动方式,设计制造了一种跳跃机。这种跳跃机没有轮子,却有4条强壮有力的腿,它既能在沙漠中有节奏地跳跃着前进,也可以在高低不平的原野上畅通无阻。也许在不久的将来,它将成为沙漠地区广泛应用的交通工具。

“人体阿波罗计划”

阿波罗计划,是美国60年代制定的人类登月计划的别称。通过这个计划的实施,美国的宇航员终于在1969年登上月球。登月成功,对宇航员来说,是很小的一步,而对人类来说却是伟大的一步。这个计划耗资几十亿美元,有上万个科研人员参加,堪称是世界上一流的科研计划。阿波罗计划从此也名扬全世界。

到了90年代,美国又制定另一项科研计划,即把人体约10万个基因的密码(人体遗传密码)全部解开,同时绘制成人类基因图谱。这10万个左右的基因是人类全部的遗传信息,它由约30亿个核苷酸碱基对组成。解开核苷酸的序列,并且一个一个排列出来,是一项十分艰巨的任务。它需要数千位科学家,花10年时间方能完成,总耗资达30亿美元。有人曾打了个比方,这项研究任务之难,好比一个人徒步绕地球一圈,又要与地球上每一个人都握手一次。这当然是十分困难的。如果把30亿对核苷酸的序列编排出来,大概有13套大英百科全书那么厚,足见这项计划之艰巨。

这项计划预计在2005年完成。DNA双螺旋结构的发现者之一、诺贝尔奖金得主华森积极主张并支持这项计划的实施。正因为这项计划意义重大,是科技史上罕见的一项研究,不亚于当年登月,所以人们又称之为“人体阿波罗计划”。

极地越野车的发明

在南极洲这个世界上最冷的地方,生活着一种异乎寻常的动物——企鹅。它有翅膀,可不会飞翔。它们扑倒在地,有肚皮贴在冰雪上,用退化了的翅膀——鳍脚和后脚用力蹬着冰雪,飞快地向前滑去,每小时竟可滑动30千米,真不愧是动物世界中的滑雪冠军。

除了企鹅,南极还有一种哺乳动物海豹,它的四肢演化成了鳍脚。鳍脚也成了“滑雪杖”,能帮助海豹在冰雪上滑动前进。

在皑皑白雪的南极,雪橇是良好的交通工具,但是它要靠狗或驯鹿拖拉,每小时只能走十六七千米。如用汽车在雪地上行驶,由于雪地上的摩擦力太小,车轮只会不断地空转,难以前进。因此,必须设计出适合在南极行驶的运输车。

科学家受到企鹅和海豹在冰雪地上滑行的启示,设计出了一种新型的极地越野车——无轮汽车。这种汽车没有轮子,在它的底部安装了类似脚的“轮勺”。行驶时,汽车的底部贴在雪地表面,轮勺转动,扒着雪向前行进。一辆无轮汽车的行驶速度每小时可达50千米。比企鹅快得多。无轮汽车除了能在冰雪地上滑行外,还可以快速通过泥泞地带。它们正在雪地运输中大显身手。

应用工业微生物的优越性

这里说的工业微生物,是指在工业生产中作为生产者的微生物。这类工业微生物种类相当多,形成一支不可多得的生力军。例如,放线菌、细菌、真菌等能生产5500多种抗生素,其中有4000多种是由放线菌产生的。可见,工业微生物是一支庞大的队伍了。

为什么科学家对微生物在工业上的应用这么感兴趣呢?不论是微生物学家,还是化工专家,他们看中的是应用工业微生物进行生产有许多优越性。这些优越性主要表现在:

首先,微生物能在常温常压下进行各种生物化学反应。即使在发酵罐中,也不会出现爆炸。

这就大大避免了在生产过程中的事故。

其次,以微生物为对象进行的物质转化,不完全利用地球上的有限资源(如石油),而着眼于再生资源(如纤维素、木质素、淀粉等)的利用。因此,原料来源丰富,不会因原料少而停止生产。

第三,用微生物生产复杂的有机化合物(有机酸、核酸、糖等),可以让几十步化学反应像一步反应那样在反应器中进行,实现连续性大规模生产,这既缩短周期,又降低成本。

第四,微生物生产安全、干净,不会产生有害物质,不会污染环境。

性别的决定

生物有雌雄的区别。决定性别的是生物的性染色体。

以家兔为例,它共有22条染色体,其中1对为性染色体。如果兔细胞内的一对性染色体相同,即都为XX染色体,则为雌兔;一对性染色体不同,即为XY染色体,则为雄兔。因此,雌兔只形成一种卵子——X卵子;雄兔形成两种精子——X精子和Y精子。

为了多繁殖小兔,人们自然喜欢多养雌兔,尽量少养雄免。只要进行以下实验,就可达到多养雌兔的目的;取出雄兔的精液倒入一U形管中;往U形管两端各插入一个电极,一为正极,一为负极;通电。于是,带X染色体的精子(带负电)大多数移向正极,带Y染色体的精子(带正电)大多移向负极。用人工授精方法,把正极附近的精液注射到雌兔阴道里,结果雌兔怀孕后生下的小兔,大多数是雌兔。类似的实验,在其他家畜的繁殖上也取得了成功。

人的男女性别也是由一对性染色体决定的。性染色体全是XX时,便是女的;为XY时,便是男的。这就是说明,人与其他生物在很多方面是相同的,人是由生物进化来的;生男生女并不由母亲决定,而是由父亲决定的。

家禽(如鸡)的性别也是由一对性染色体决定的。不过,它正好与家兔和人的情况相反;性染色体为ZZ的是雄禽;为ZW的是雌禽。

红绿色盲

道尔顿是18世纪英国的大科学家,近代原子理论的奠基人。他是第一个发现红绿色盲的人,也是第一个被发现患红绿色盲的人,所以红绿色盲又称“道尔顿病”。

在一个圣诞节,青年道尔顿给母亲买了一双长袜,作为节日礼物。母亲收到这份礼品,非常高兴,但美中不足的是颜色实在太鲜艳,与自己的年龄不相称。道尔顿吃惊地问:“深蓝色怎么不相称?”母亲感到意外:“什么?这袜子像樱桃一般红呀!”

从此,道尔顿才知道自己的色觉和别人的不同,他没有区分红色和绿色的能力,即红绿色盲。后来,他研究了这种病因,还写了一本书——《论色觉》。

红绿色盲属于性染色体隐性遗传。基因一般随所在的染色体连在一起或锁在一起同时传递到下代,这叫连锁。X染色体上的基因随X染色体一起传递,叫X连锁或性连锁。红绿色盲基因不但存在于X染色体(性染色体)中,而且为隐性,所以性连锁隐性基因的遗传,随不同性别的情况而不同。在女性中,X成双存在,必须两条都具隐性致病基因才能患病;男性的X染色体是成单的,所以只要X染色体带有致病基因就会发病。但是,两条带病基因的X染色体组合在一起(XX)的机会很小,所以患X连锁隐性遗传病的男性要比女性多得多。红绿色盲,男性远多于女性,我国男性色盲发病率为7%,女性0.5%。

道尔顿的红绿色盲基因是由母亲传给他的,他的母亲是红绿色盲基因的携带者。

先天愚型和猫叫综合症

1866年,达温医生首先提出一种临床疾病:患者智力极低,顶多会说“爸”“妈”等单音节语言,根本没有抽象思维能力,坐立走都很晚。外形也很特别:眼裂小,眼间距很宽,鼻根低平,颌小,口常半开,舌吐出口外。手指特短,小指内弯,拇趾与第二趾之间相距很大。

经过染色体检查,发现患者体细胞中有47条染色体,多了一条21号染色体。其他染色体都是成双结对,只有21号染色体是三个凑在一起。这属于常染色体数目的变异。

还有一种遗传病叫猫叫综合症,显著特点是患儿的哭声音调特高,声音较低,很像猫叫的声音,因此而得名。患者女性多,头小,脸很圆,眼间距宽,容貌古怪,身体发育迟滞,智力严重减退。常在婴儿期或幼儿期夭折。

染色体检查发现,患者体细胞第5号染色体的短臂丢失了大约二分之一。这属于常染色体结构的变异。

染色体数目和结构的变异都是不治之症。最好进行产前检查,做染色体分析。如发现是先天愚型或猫叫综合症,即做人工流产,不让患儿出生。

杂种优势

母马和公驴交配,生出来的骡比马和驴都强壮高大。这种现象在遗传上叫做杂种优势。

杂交产生的后代,能继承两亲本的一些优良品质。如骡从母亲(马)那里取得体大、快跑、大力、活泼的优点;从父亲(驴)那里取得步伐稳定、不易激怒、有耐力、食粗料的优点。显然,骡作为役用畜要比马和驴更好。这是我国古代劳动人民最早应用杂种优势的一个著名实例,一直沿用至今。

在动物分类上,马是一个物种,驴又是一个物种,它们的亲缘关系很远。凡是两个不同物种间的杂交称远缘杂交。由远缘杂交的后代产生的优势现象称为种间杂种优势。

一个物种内,有许多不同的品种。显然,物种内各品种间的亲缘关系要比物种间的近得多。