人与自然 系列丛书-第228节
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群，从而提高捕鱼量。数十只萤火虫装入囊中放出的光量就能解决车胤的夜读照明问题。据测定，一个发光细菌所发出的光相当于1。9×10…14烛光。如此高效能的光源是不会不被人们注意的；（2）爱迪生发明了电灯，取代了用火照明。
电灯无烟，光亮而且安全。但是，当你靠近开亮的电灯泡，就会感觉到热，愈是接近愈觉得热，这说明电只有使灯泡的钨丝烧热才能发光，而且大部分能量都以红外线形式转变成热散发了。此外，这种热线对人眼是无益的，而生物光是目前已知唯一不产生热的光源，因此也叫“冷光源”，其发光效率可达100％，全部能量都用在发光上，没有把能量消耗在热或其他无用的辐射上，这是其他光源办不到的。
人们研究生物光，虽然对生物发光的机制还了解得不多，但就现有的研究和了解，已取得一定的效益。通过对萤火虫的研究，已知萤火虫约有1500多种，各自发出不同的光，作为自己特有的求偶信号，不同种之间不会产生误会。萤火虫的发光部位是在腹部，那里的表皮透明，好像一扇玻璃小窗，有一个虹膜状的结构可控制光量，小窗下面是含有数千个发光细胞的发光层，其后是一层反光细胞，再后是一层色素层，可防止光线进入体内。发光细胞是一种腺细胞，能分泌一种液体，内含两种含磷的化合物；一种是耐高热，易被氧化的物质叫荧光素；另一种不耐高热的结晶蛋白叫荧光酶，在发光过程中起着催化作用。在荧光酶的参与下，荧光素与氧化合就发出荧光，氧是从营养发光层的血管进入发光细胞的。由于血管随着它周围肌肉收缩而收缩，当血液中断供应时，氧就不能到达发光细胞，荧光也随之熄灭。生物发光需要氧，是英国学者波义耳在试验基础上发现的。波义耳将装有发光细菌瓶的中空气抽出，细菌立即停止发光。将空气重新注入，细菌又马上发光。
后来才知道是空气中含氧所致。发光反应所需的能量是来自一种存在于一切生物体内的高能化合物，叫三磷酸腺苷，简称ATP。美国约翰·霍普金斯大学的研究人员将萤火虫的发光细胞层取下，制成粉末，将它弄湿就会发出淡黄色的荧光，当荧光熄灭时，若加入ATP溶液，荧光又会立即重现。说明粉末中的荧光素可被ATP激活。因此，荧火虫每次发光，荧光素与ATP相互作用而不断重新激活。
生物发光和光合作用都是“电子传递”现象。有人认为生物发光好像是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。
光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。
人们研究生物光是为了利用它，这种冷光源效能高、效率大、不发热、不产生其他辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等都是一种安全可靠的理想照明光源。人们还可以设法模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板，使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，到晚上再将光能放出来。
人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光创造出一种新的高效光源——冷光源成为可能。但是，人们对生物发光的认识还很肤浅，就拿研究得较多的萤火虫来说，萤火虫发光是为了交配，然而萤火虫的卵刚产下时，内部也发着光，萤火虫幼虫也会发光，这些又是为什么？它们是怎样发光的？人们都还不了解。因此，人类对生物发光研究得越清楚，对于创造这种新光源必然会越有利。
蝴蝶与温控系统
如果你有机会参观美国航天器博物馆，那里的讲解者将向你介绍，在解决人造地球卫星的温度控制方面，蝴蝶立下了“汗马功劳”。原来有一种蝴蝶的身体表面覆盖有一层细小的鳞片。当阳光直射，气温升高时，这些鳞片就会自动张开，以减小太阳光照射的角度，对太阳光能量的吸收随之减少；当外界气温下降的时候，这些鳞片又会自动地闭合，紧贴住蝴蝶的体表，让太阳光直射在鳞片上，从而使蝴蝶能吸收更多的太阳光能量。这样，蝴蝶就可以在外界空气有较大变化的条件下，仍然使自己的体温控制在一个正常的范围之内。
人造地球卫星在太空中遨游，它和太阳、地球的相对位置每时每刻都在发生着变化。就拿一颗离地球300公里左右的轨道上运行的人造卫星来说，大约在65％～70％的时间内，它所处的轨道位置可以受到太阳光的强烈辐照，以致使卫星的温度有可能上升到摄氏一二百度；在其余的时间内，卫星将在地球的阴影区内运动，由于没有太阳光能量的辐射，卫星的温度有可能下降到摄氏零下一二百度。
为了不让卫星内部的各种仪器冻坏或烧毁，必须对卫星采取各种控温措施。其中有一种控温系统就与蝴蝶调节体温结构有着异曲同工之妙。这种控温系统外形很像百叶窗，每扇叶片的两个表面的辐射散热能力不同，一个很大，而另一个非常校百叶窗的转动部位装有一种对温度很敏感、热胀冷缩性能特别明显的金属丝。当卫星温度急剧升高的时候，金属丝迅速膨胀，立即使叶片张开，辐射散热能力大的那个表面朝向太空，帮助卫星散热降低温度；当卫星温度突然下降的时候，金属丝会马上冷缩，并使每扇叶片闭合，让辐射散热能力小的那个表面暴露在太空，抑制卫星的散热，起到控温的作用。
蛙眼与电子模型
蛙眼是十分敏锐的，对运动物体简直是“明察秋毫”。然而，对静止不动的东西它却“视而不见”，似乎变得“眼大无神”了。但这并不是它的缺陷，而正是蛙眼视觉机能的独到之处，是它适应其特定生活环境所形成的一套特殊本领。正是靠了这双眼睛，青蛙才能准确地捕食和逃避敌害，得以在地球上生存了200万年。
科学工作者们经过深入地研究，发现蛙眼具有四类感觉细胞，即四种“检测器”，它们分别负责辨认、抽取视网膜图像的不同特征。这样，就把一个复杂的图像分解成了几种易于辨认的特征，同是传送到大脑的视中枢——视顶盖。在视顶盖，视神经细胞按自上而下的顺序也分成四层：上层的“反差变化检测器”神经元，抽取图像的暗前缘和后缘；其次是“运动凸边检测器”，检测朝视野中心运动的暗凸边；再下是抽取静止和运动图像边缘的“边缘检测器”；最下层的“变暗检测器”抽取运动图像暗前缘。每一层都产生图像的一种特征，这四层里的特征叠加在一起，经过综合，青蛙便看到了原来的完整图像。
根据蛙眼的视觉原理，借助于电子技术，人们制成了多种“蛙眼电子模型”。其中，最简单的是“昆虫检测器”模型。
蛙眼电子模型还可以像真蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。这种图像识别能力是雷达系统所需要的。雷达工作时，往往受到各种干扰，使显示屏上的影象看不清楚。依据蛙眼分别抽取图像特征的工作原理而改进的雷达系统，能够在显示屏上清晰地从强背景噪声中区分出目标来，因而提高了雷达的抗干扰能力。这种雷达系统也能快速而准确地识别出具有特定形状的飞机、舰船、导弹等，特别是能够根据导弹的飞行特性，将真假导弹区分开来，从而不被作为诱饵的假导弹所迷惑。它还可以有效地把预定要搜索的目标与其他物体分开，特别是把目标与背景分开。
模仿蛙眼的工作原理，人们还制成了另一种“电子蛙眼图像识别机”，它可以成为机场飞行调度员的出色助手。这种装置可以监视飞机的起飞与降落、班机是否按时到达。若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报，防止相撞。现在，国外已投入使用的一种人造卫星“自反差跟踪系统”，就是模仿蛙眼的工作原理制造出来的。
蝙蝠与“探路仪”和“超声眼镜”
船只、舰艇上装置的现代声纳（声雷达），可以搜索隐蔽在水中的目标，如潜艇、水雷、鱼群、冰山、暗礁以及浅滩，也可侦察到在水面上航行的舰船。在一定距离之内，两艘装有声纳的舰艇还可相互通信。声纳探测目标的作用距离为几公里，用来通信则可以达到更远的距离。
声纳是人们经过长期苦心研究，在第一次世界大战期间发明的。可是，在自然界，有些动物也生有类似的声雷达，而且结构较人造的更简单、性能更好。其中，研究最多的是蝙蝠的声雷达系统。
蝙蝠是昼伏夜出的动物。不论是在茫茫暮色之中，还是在伸手不见五指、漆黑一团的岩洞和古庙里，它都能穿梭般飞来飞去，从不会相碰或撞到什么东西上。而且捕食时有惊人的灵活性和准确性，一分钟内竟能捕到十几只蚊子，简直可以做到“无一漏网”。这是因为蝙蝠有一双特别敏锐的夜视眼吗？
不是。即使将它的双眼完全封住或弄瞎，蝙蝠仍能自由自在地飞翔。经过长时间的研究，人们终于弄清楚，蝙蝠的视力是很差的，它之所以有接近于“明察秋毫”的本领，正是靠了它生有一套天然声纳系统。
蝙蝠的喉咙可以发出很强的超声波，通过嘴和鼻孔向外发射出去，共同构成蝙蝠声纳的“发射机”。它的接收机就是耳朵。根据耳朵接收到的反射回声，蝙蝠能够判明物体的距离和大小，是食物还是敌人或者是障碍物。人们把这种根据回声来探测物体的方式，称为“回声定位”。
蝙蝠的耳朵很大，内耳也特别发达，能够接收频率很高、但密度很低的超声波回声。令人吃惊的是，蝙蝠竟能在一秒钟内发出250组超声脉冲，同时也能准确地接收和分辨同一数目的回声。蝙蝠声纳的分辨本领很高，它能分辨用0。1毫米粗的线织成的网，并能根据网洞大小而收缩两翼敏捷飞过。
它能把从昆虫身上反射的超声信号与地表、树木等反射的信号区分开。
蝙蝠的声纳可以同时探测几个目标，抗干扰能力也特别强。即使人为地去干扰它，哪怕干扰噪声比它发出的超声波强一、二百倍，蝙蝠声纳仍能有效地工作。成千上万只蝙蝠同住一个岩洞，它们都使用声纳，但却互不干扰。
人造声纳却很难排除声波折射和水下反响现象的干扰，甚至当信（号）噪（声）比仅为1∶1时，就已经不起作用了。
蝙蝠声纳还具有结构紧凑、体积小巧的特点。它最多不过几克重，体积几分之一立方厘米。而现代声纳和无线电波定位器却有几百、甚至几千公斤重，体积也往往大至几百立方分米。
人们模仿蝙蝠的定位系统，制成了盲人用的“探路仪”和“超声眼镜”。
这两种仪器可以发射超声波、接收回声信号并将其转变为人耳能听到的声音。经过一定训练，盲人凭“听”声音就能知道路面情况，避开障碍物了。
蜗牛壳与复合陶瓷材料
在潮湿的地上，或者在树枝上，蔬菜的叶子上，常会见到蜗牛的活动。
它们背着自己重重的壳，慢慢地向前蠕动，有一点儿风吹草动，软软的身子马上缩回壳里。
蜗牛的壳很坚固，它给科学家们以极大启示。
蜗牛等软体动物的壳实质上是一种由碳酸钙层和薄的蛋白质层交替地组成的层状结构。碳酸钙硬而脆，但蛋白质层交替地夹在其中，能防止碳酸钙层的裂纹蔓延，从而使蜗牛壳变得又硬又韧。
最近，英国剑桥大学的科研小组研制出了一种类似蜗牛壳的层状组织，即用150微米厚的碳化硅陶瓷层和5微米厚的石墨层交替地叠加热压成复合陶瓷材料。碳化硅是一种非常硬而脆的陶瓷，但由于夹在中间的石墨层可以分散应力，又可以阻止一层碳化硅中的裂纹蔓延到另一层碳化硅中，因而不易碎裂，这就是仿生复合陶瓷材料。
仿生复合陶瓷材料可用来制造喷气发动机和燃气涡轮机的零件，如涡轮片等，它们不仅可以提高发动机的工作温度，还可以减少喷气发动机和燃气轮机对空气的污染。
蚂蚁与人造肌肉发动机
蚂蚁是动物界的小动物，可是它有很大的力气。如果你称一下蚂蚁的体重和它所搬运物体的重量，你就会感到十分惊讶！它所举起的重量
