人与自然 系列丛书-第235节
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仿生农药
在生物学界，人们曾反复考虑这样一个问题：绿色植物的一生，春发芽，夏长叶，秋结果，看起来逍遥自在，与世无争，实际上却无时无刻不遭受着害虫的攻击，时刻面临灭顶之灾，何以仍能生息繁衍？生物学家作过详实的调查研究：一只雌性害虫，每胎可产卵几百粒，甚至上千粒，一生能生育十几代，甚至几十代，呈几何级数增殖，即使树木花草叶片再多，一年之内也可几度被害虫吃光，何以植物仍能代代相传，繁衍至今？
原来，草木并非束手就擒的无能辈，却拥有种种常人难以察现的生存本领。新生的嫩芽、幼叶、幼果是害虫不可多得的美餐，但有些害虫一经取食即自取灭亡，因为其中潜藏着种种“秘密武器”，如蕃茄碱、茄碱棉粉酚、生氰苷、强心苷。。，这些杀虫物质数量虽少，但能给害虫以致命的一击，被人们叫做“防卫素”；在业已长大的枝叶中，虽无这类防卫物质，但有时却大量积存单宁、五羟黄酮、绿原酸等特殊分泌物，具有难以入口的苦涩味，使前来偷食的害虫一经品尝就倒了胃口，被人们叫做“拒食素”；和高等动物的免疫功能相似，许多绿色植物在遭受病虫攻击后可产生种种抗生素，破坏病菌和害虫的生理功能，使病虫丧失生育和生存能力。例如香枞树能分泌“保幼酮”，使红椿象的卵难以成熟，幼虫“老不大”，难以蜕变成蛹和成虫，绝了后代；菊科植物遭害时能分泌“早熟烯”，使大乳草蝽的蛹未熟先衰，难以羽化成具有生育能力的成虫；有些植物还能分泌“光敏素”，害虫吃下这种含有光敏素的枝叶会变得十分怕光，无法找到安身栖息的场所；玉米遭害时可分泌“拒产信息素”，使玉米螟不愿再上玉米枝叶产卵，橄榄树遭害时流出的树液中含有“占领信息素”，使果蝇闻风而逃，不敢再上橄榄树为害。
在多种草木群居的植物群体中，有些草木还能保护“邻居”不受侵害：当杨、柳树遭受天幕毛虫侵害时，能向周围树木发布受害信息，促进其他树木增加防卫物质的分泌量，加速分泌速度；在棉花和蓖麻混栽的农田里，蓖麻的气味可驱赶棉花叶跳虫；如将辣椒和丝瓜混栽，丝瓜叶片散布的气味因具有催产功能，使业已怀胎的雌性害虫“早产”，这些早产的虫卵可因先天不足而发育不良。
和目前常用的化学农药比较，植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能，而且不危及人畜，不损伤害虫的天敌，不污染环境，不损害自然界的生态平衡。可见，模仿植物杀虫物质，开发仿生农药，是有无可估量的效益和前景的。
使用化学合成的方法，模拟植物杀虫物质的分子结构，制作生物农药，已在世界各地广泛应用。生物学还准备使用生物工程手段，将植物体内控制杀虫物质合成和分泌的基因切割出来，置入能高速增殖的单细胞生物体内，大量生产生物杀虫物质，提炼仿生农药，供应农业需求。
人工鳃
水生脊椎动物用鳃呼吸，陆生脊椎动物用肺呼吸。陆生脊椎动物是由水生脊椎动物演化而来，因为，很多用肺呼吸的动物，在它们的胚胎发育过程中，尚须经过鳃的阶段，虽然鳃和肺的呼吸原理基本相同，动物都是不断地吸收氧和呼出二氧化碳。氧和二氧化碳都是气体，都是通过湿润的膜交换气体。但是，鳃适应于在水中交换气体，而肺适应于在空气中交换气体。由于空气中的含氧量比水中的含氧量大20倍以上，而且氧气在水中的弥散率很低，所以在水中吸取氧要困难得多。
从水生到陆生，呼吸空气中的氧气是一个要解决的问题。同样，一些用肺呼吸的动物重新回到水中去过水中生活也要解决一个呼吸水中氧气的问题。即便是已完全在水中生活的鲸类，无论能屏气多长时间，只要在水中逗留一段时间后，总要浮至水面，呼吸空气中的氧，经换气后才能再潜入水中。
尽管国内外有些人经过训练，能在水下屏气较长时间，但最多坚持不到10分钟，而且也仅是在水中屏屏气而已，已屏得脸红颈胀，不必说本人感到难受，就连旁观者也感到怪难受的，又怎能谈得上在水中作业呢。动物要维持生命必须要消耗氧气，于是血液中的二氧化碳就会逐渐增多，而一些陆生动物对血液中的二氧化碳非常敏感，当二氧化碳达到一定的浓度时，就会刺激神经中枢，引起强呼吸，这就是一些陆生动物不能长时间屏气的道理。人由于某些需要，到水中去进行较长时间的作业，就必须背上氧气瓶，即使是乘坐潜水器也需要有氧气供给装置，这些供氧器既笨重又麻烦，因为氧气耗尽时必须充氧才能再次下水。人为了能早日研制出较理想的新型供氧器材，就想了解水中动物呼吸的奥妙。鱼终生生活在水中，是动物中最适应水环境的一大类群。鱼鳃在水中呼吸器官中是发展得最好的。
所谓鱼鳃，通常是由鳃瓣组成。鳃瓣是在咽喉两侧一系列片状物上面长有许多鳃丝，鳃瓣与鳃瓣之间的裂口叫鳃裂，每个鳃瓣由前后两个半鳃组成。
软骨鱼每侧有9个半鳃，硬骨鱼每侧有8个半鳃。软骨鱼的鳃裂直接开口于体外；而硬骨鱼鳃裂外面有一个鳃盖，这样鳃裂就被保护在鳃腔内，以一个鳃盖裂口与体外相通。软骨鱼两个半鳃间有鳃间隔支持，在鳃间隔内缘有半圆形的鳃弧，其向外的一边有许多红色细丝，这就是鳃丝。鳃丝上布满了微血管，气体交换就在这里进行。鳃弧向内的一边，附有许多突起，叫鳃耙，起防止泥沙等物进入鳃内和微小食物逸出的作用。硬骨鱼无鳃间隔，两个半鳃完全靠拢在一起。鳃丝微血管的膜非常薄，是一种具有选择性和通透性的生物膜，它能透过氧和二氧化碳，而水不能透过。
鱼进行呼吸时，先将咽部扩大，鳃盖和喉头闭紧，水从口流入后，将口闭合，喉部收缩，水流经鳃进行气体交换，鳃盖张开，让水流出。鳃丝微血管膜的基本结构通常认为是具有疏水性的膜蛋白和不连续的双层磷脂的镶嵌结构。在双层磷脂分子的排列中，膜的中间部分是由磷脂分子的脂肪酸碳氢链形成的非极性区，它对水溶性物质起阻隔作用，膜的选择性输送是由镶嵌在膜上“载体”蛋白的作用来完成的。载体蛋白在膜内外两面运动，与被运送的物质形成可逆性结合，通过膜的非极性区，再释放出来。气体从分压高的地方向低的地方扩散，氧扩散到微血管内与红细胞中的血红蛋白疏松地结合成氧合血红蛋白，随血液扩散到身体的各个组织细胞去。与之相反，二氧化碳由组织产生，扩散入血管，与血红蛋白结合，随血液到鳃排出。当鱼塘中氧气不足时，鱼被迫浮至水面，吞食空气，叫做“泛塘”，是养鱼业大忌，若不及时处理，会造成大批鱼的死亡。有些鱼有副呼吸器官，如攀鲈鳃上的副鳃腔，腔内有薄片，膜薄而富含微血管，与喉相通，可以辅助呼吸空气；泥鳅可用肠呼吸；淡水鳗可用皮肤呼吸等。
美国纽约一家实验室的劳勃博士模拟鱼鳃，用两层硅酮橡胶薄膜制成人工鳃，每层膜仅一万分之一厘米厚。这种膜只允许水中的氧通过而将水阻隔在膜外，二氧化碳也能从膜中透过。但是，这种膜想实际应用，目前尚有困难。因为一个人在静止时，每分钟至少要吸取250毫升左右的氧气，要供应一个人一小时的氧，这种膜就得要有2平方米那么大。
美国达克大学玛丽实验室的研究人员研制成一种“人工鳃”叫血海绵，它是一种高聚化合物，能从海水中提取出氧气。他们将一种血珠蛋白固定在聚氨基甲酸乙酯上，并保持血珠蛋白的生理活性，利用血珠蛋白从海水中不断地吸取氧气。据说用这种血海绵制成一只宽1。5米、长3米的供氧器可以供150人用。
有一种水蜘蛛，它和鲸一样也是从陆生重返水中生活，因为它的呼吸器官是书肺和气管。书肺是蛛形纲动物的一大特点，是从腹部体表内陷而成的囊状构造，内有很薄的书页状的突片，是适应空气呼吸的结构。但是，水蜘蛛却生活于淡水中，在水下的水草间结钟形的网，呈囊状，水蜘蛛腹部密生茸毛，不易浸湿，在潜水前先将水面空气在茸毛间形成气泡，然后带入网内，以供呼吸。水蜘蛛的这种潜水本领引起人们极大的兴趣。经过研究人们发现，如果能在水下营造一个空囊，水中氧气就会逐渐充满这个空间。于是科学家用硅酮橡胶薄膜在水下建造了一个空间，使水中的氧慢慢充入。经试验，每平方米每分钟可透入10毫升的溶解氧。如果能提高溶解氧的透入量，就可望解决人的水下呼吸问题。
人工肾
兽类的肾脏是一种高效的过滤器，血流经过肾脏时，除了红血球、白血球和大分子的蛋白质外，都会通过细胞膜滤到其囊腔内形成原尿。模拟制造出人工肾在工业上可分离液体混合物，如咸水和海水淡化，污水处理，海水采矿，气体分离，以及净化、分离、浓缩某些物质等，都用得上特殊性质的人工肾超滤膜装置。
人造耳
人耳分为外、中、内三部分。外耳是指耳廓和外耳道；中耳由鼓膜和3块听小骨组成；内耳主要包括耳蜗和听觉神经。外耳和中耳这两部分出了故障所引起的耳聋叫传导性耳聋，现在基本上已经有了医疗措施，也可以用助听器来弥补听力的不足。而内耳的耳蜗内有许多听毛细胞和听觉神经相连，是一个声电换能器。声波经过外耳道引起鼓膜和听小骨的振动，传到内耳后，耳蜗把传来的声能转换成电能，即把声波转变成电信号，产生的电信号通过听觉神经纤维传到大脑皮层负责听觉的部分，产生听觉，这时人们才感知声音。所以，由内耳疾患引起的失聪，称为感觉性耳聋。对此，助听器也无能为力。
对于感觉性耳聋，许多国家进行了大量的研究和探索，试图用人工方法恢复这些患者的听觉。自18世纪90年代开始，经过100多年的研究，人们才开始对耳聋研究有了有意义的突破。1957年，法国人丢尔诺和艾利首先用电极直接刺激全耳聋病人听觉神经，使之产生听觉。以后许多学者陆续对此进行研究，他们制造了一种特别的微电极植入耳蜗内，借助外部输入的电信号刺激听觉神经末梢，来代替丧失了转换功能的耳蜗，使聋人产生一定的听觉。这种用电子技术模拟耳蜗功能的装置，叫人工耳蜗。人工耳蜗主要有两部分组成，一部分埋藏于耳蜗内的微电极，可以把经过适当处理后的电信号送到听神经纤维上，产生音感，另一部分是把生活中的声音转换成符合人耳特性的电信号的声电换能刺激器。
近年来，随着电子计算机的发展，人工耳蜗应用微处理机对输入信号进行分频、处理、编码和综合后，可以使聋人获得更好的分辨声音的能力。
人造牛胃
偶蹄类中的牛、羊、鹿、骆驼等都是反刍动物。反刍动物有特殊的复胃，复胃分成四个胃室：瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和腺胃。其中前三部分是食道的变形，没有胃腺上皮，腺胃才是有腺体的真胃。瘤胃最大，占整个胃容量的80％，反刍动物如牛在吃草时在大量唾液作用下只简单咀嚼后就成团吞下，将粗草贮于瘤胃。牛瘤胃一次可容纳90千克草。瘤胃内有大量的纤毛虫和细菌及真菌共生，其作用就好比一只“发酵锅”。在微生物的作用下，纤维素和其他糖类发酵分解，并产生大量可燃烧的沼气。经分解后的细料进入蜂巢胃，粗料重回口中经再咀嚼后吞下，以后再继续发酵。蜂巢胃和瓣胃主要起转运站的作用，它们能吸收大量水分和酸。食物进入腺胃后，再进行最后的消化作用。
牛的复胃系统为人类提供了一种分解植物纤维素，开发生物能源的较好模型。“人造牛胃装置”通过微生物的作用，能直接把植物纤维素、木质素等分解并转化成人类可食用的蛋白质、脂肪或维生素，其产生的大量沼气，还可作为燃料。将来这种机器一旦投入应用，农村里的野草、树叶、秸杆或其他农产品的下脚废料，都有可能转化为营养物，甚至是牛肉，农村的燃料也将用之不竭。当然要达到这一步，目前还存在某些技术困难，但随着人类科学技术的进步，这一天终将会到来。
人造手
经过约200万年的过程，人为了求生，与环境相适应，逐渐学会了使自己的手适应于做各种各样的动作。从第一块石器开始到能缝制出精美的金缕玉衣，直至在一粒米雕刻唐诗300首的工艺。人手的结构同所有高等动物的前肢一样都是由肩、上臂、腕、掌和指组成
