书城科普读物科学伴你行-奇特的生物绝招
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第3章 飞禽走兽的启示(3)

蝙蝠的相貌丑陋,外形古怪,前肢后肢与躯干由皮膜连接,也就是它们的飞行翅膀,与鸟类不同的是,蝙蝠的翅膀上没有羽毛。蝙蝠的后肢又短又小,几乎没有肌肉,根本不能站立。倘若落在地面,只能缓慢地爬行,常被束手就擒。因此,蝙蝠休息时总是将身体倒挂在一些物体上,这样可以借下落时迅速起飞,比在地上安全多了。

蝙蝠是夜行性动物,即使在伸手不见五指的黑夜,它们也不会迷失方向,而且能避开各种障碍物准确无误地捕捉昆虫。在漆黑的夜空中,蝙蝠是靠什么装置来进行准确定位的呢?原来蝙蝠在飞行时不断从喉咙里发出一种人耳听不到的超声波,这种声波遇到障碍物便反射回来,同时它的耳朵不断的听到折回的声波,判断空中物体的种类,遇到食物或障碍物时迅速作出反应,确定躲避还是捕食。有人曾将蝙蝠的眼睛蒙起后放在一个布满绳索的黑屋内,并在绳上挂了许多铃铛,结果蝙蝠在屋内飞行自如,没有碰到绳子。若是把它的口与耳塞住,蝙蝠就会撞墙而死。

科学家们经过细致的研究证明,蝙蝠的回声定位系统非常灵敏、准确、高效率,首先是由于蝙蝠喉内发出的超声波,它的强度很大,若能听到的话,相当于地下火车出站时所发出的声音强度,如此强大的超声波竟发自弱小的蝙蝠,实在令人惊叹。再有就是它的超声的变换与抗干扰性,蝙蝠能在1秒钟内发出并回听250组超声波,若是反射频率在每秒256周以上的都是捕食对象,其它则避开。有时成千上万的蝙蝠同住一洞,各自使用自己的超声定位系统,从不互相干扰,可见它们的定位系统的精密程度之高,因此蝙蝠被人们称为飞行中的雷达。

早在几十年以前,人们在蝙蝠的超声定位系统的启发下,研制出了声音雷达,又叫声纳系统。这种雷达可以测定水中的物体和船只的位置,仅用几分之一秒的时间就可以把数百平方公里水域中的物体收录在荧光屏上,供人们分析研究。这一成果在第二次世界大战时用途极广,尤其搜索难以被发现的潜水艇时效果最好。近年来,科学家们根据声纳的原理,设计出一种盲人探路仪,使盲人具有一个超声波的眼睛,将反射回的信号变成正常声波,送到盲入耳朵里,确保了盲人行路的安全。

科学家们认为,人造的声纳系统的灵敏度和抗干扰性远不如蝙蝠,而且耗能极大,可见大自然中的生物体的某些结构是何等的巧妙。

猪拱土与防毒面罩

猪吃食时有一个毛病——拱食,把饲料拱得满地都是,在猪圈里,在田里,常常把泥土拱得凹凸不平。

第一次世界大战期间,德军和英法联军激烈交战,德军在交战中突然使用毒气袭击英法联军。由于德军位于上风方向,施放的毒气规模大,使英法联军在毫无准备的情况下伤亡惨重。毒气区的家禽、动物也都难逃厄运,但是毒气区的猪却安然无恙。这件事引起了人们的思考,猪为什么能安然无事呢?是猪体内生有抗毒细胞吗?经过多次实验观察,终于找出了猪能抗毒气的原因。

原来,当毒气袭来时,猪呼吸道受到毒气刺激,难以忍受,于是就拼命地用嘴巴拱土,把土拱起后将长嘴巴埋进松软的泥土里。含有毒气的空气,通过土壤颗粒时,毒气被土壤颗粒吸附,猪吸到的空气已经无害了,松软的泥土起了滤毒作用。

军事研究人员从猪拱土防毒的现象中受到启发,制造出了装有颗粒的防毒面罩,以后又研制出更高级的鼻罩及各种防护器材。

鸟眼的启示

在俄罗斯一家生产钢球的工厂里,许多经过训练的鸽子站在生产流水线旁,注视着传送带上源源流出的产品。突然一只鸽子像发现了什么,用喙啄了一下身边放着的触钮,产品检验的指示灯立即闪亮,工作人员走上前将一个次品钢球捡出来,同时给了这只鸽子一些食物。原来,这家工厂是用训练过的鸽子的敏锐视觉检测产品的质量。据管理人员讲,这个方法特别有效,该厂近几年来从未有过次品进入市场。

鸟类的视觉相当发达,鸽子就有一双“神眼”,它能在很远的地方看到飞翔的老鹰,能从几百只鸽子中迅速找到自己的配偶,从许多巢穴中辨认出自己的巢穴。鹰的眼睛更是敏锐,翱翔在三千米高空的雄鹰,两眼环视地面,可以发现在地面上运动的兔子或老鼠。蜂鸟的眼睛虽然相对较小,科学家们经过研究认为其具有现代化光学系统的一切优点,而且至今无法仿制出相应的光学仪器。在视觉方面,鸟类比任何哺乳动物,包括人类都发达得多。

鸟类的眼睛从比例上看是脊椎动物之首。在眼睛上除了具有上下眼睑外还有瞬膜,在眼球壁内具有薄骨片,它可以防止在高速飞行时因强大的气流使眼球变形。与哺乳动物最为不同的是,鸟的眼是一种“双重调节”眼,除了可以改变晶状体的曲度以外,还可以调节角膜的曲度,所以鸟类看物体时调节极快,可以在瞬间由“远视眼”调整为“近视眼”。

家鸽眼睛的视网膜上有6种类型的神经细胞检测器,有的管亮度调节,有的管物像的普通边缘,有的管凸边,有的管方向运动边,有的管垂直边,也有的管水平边。可以说是面面俱到,分工明确,而且从不互相干扰。

鹰眼与鸽眼则不相同,它的瞳孔很大,相当于人眼瞳孔的一倍。在一定条件下,瞳孔越大,分辨物体的能力就越高。那么在强烈的日光条件下,鹰眼会不会感光过度而受到伤害呢?回答是否定的。原来在鹰的眼内有一个特殊黑色的结构,叫做梳状突起,它起着滤光器的作用,可以减弱光的强度,所以在极强的光线下,鹰眼也不缩小瞳孔,保持很高的视觉灵敏度。

鹰眼与人眼不同。一般人的每个眼球视网膜上只有一个中央凹,每个中央凹约14.7万个感光细胞,这也是视觉最敏锐的区域。而鹰的每个眼球具有两个中央凹结构,一个称为正中央凹,另一个称内侧中央凹,在中央凹处的感光细胞数目很多,达到100万个左右,所以鹰眼要比人眼的视觉敏锐得多,两个正中央凹能敏锐地发现前侧方向的景物,两个侧中央凹则可发现在正前方的物体,构成了敏锐的双眼视觉区。

科学家们根据鸟类眼的构造原理,模拟制造出了电子鸽眼和电子鹰眼,分别有不同的用途。电子鸽眼所装配的雷达系统,设置在机场边缘和国境线上,由于模仿了鸽眼运动方向的特点,可以有选择的发现目标,只监视飞进来的飞机和导弹,而对飞出去的则视而不见,并且有很高的灵敏度。电子鹰眼则装配在高空飞行的侦察机上,使飞行员借助荧光屏在万米以上的高空能看清地面上宽阔视野里的所有物体,一旦发现可疑目标,便可进一步放大,供飞行员分析或通知地面的导航系统。

鸟类飞行的启示

千百年来,人们一直梦想像鸟一样在空中飞行,早在2000多年前,我国民间流传着鲁班曾制造过会飞的木鸟。自然界中的鸟类早在一亿多年以前就飞上了高空,并在亿万年的发展进化过程中,鸟类获得了许多适于飞翔的形态结构特点。

从鸟的外形上看,最明显的是它们的体型,翼和尾的构造。鸟的身体是纺锤形的,它全身的羽毛都向后方,在飞行时可以减少空气的阻力。鸟的前翅特化为翼,翼上的羽毛有所不同,最大而硬的飞羽直接着生在翼骨上,并有秩序地整齐排列,使飞羽强大有力的推动气流,尤其是最外侧的初级飞羽,如果受损时鸟就无法飞翔了。如果你手握鸽子的翅膀,你就会发现鸽子的翅膀,前缘厚、后缘薄,这种结构与飞行密切相关。从空气动力学上讲,只有这种曲面在高速气流中才会产生升力,使鸟能够悬在空中。鸟的尾巴与其他脊椎动物不同,尾椎全隐藏在体内,只在尾骨上长出许多强硬的羽毛,尾在飞行时可转换方向和平衡身体,故又将尾羽称为舵羽。

鸟类的骨骼比较特殊,既坚固又灵巧,一般为中空而尖细的骨,强度大,重量小。一只军舰鸟翼展开可达2米多长,骨骼只有100克左右。一只重达11公斤的鹈鹕,它的骨骼只有0.5公斤,除了轻盈和坚固以外,鸟的骨骼还安排的非常精巧。在鸟类两肩上的锁骨,愈合成“V”形,可以防止飞行时左右肩带发生碰撞,在胸骨的中线处,有高高隆起的龙骨突起,可以扩大胸肌的固定面积,使飞行能力大大加强。鸟类的腰带骨相互愈合,使躯体的重心集中于中心,有利于飞行时保持平衡,又便于骨骼相互牢固地联结在一起。

人们在研究了鸟的身体结构以后,试图模仿鸟的身体特征制造出飞行器。400多年前意大利科学家达·芬奇根据鸟的飞行研究设计了扑翼机,试图用脚蹬的动力来扑动翅膀飞行,但是这种美好的愿望很快就破灭了。

后来人们又不断地研究探索,特别注意到了鸟翅前厚后薄的特点,并且翼前上面钝圆,下面平直,这样,高速气流在通过翼时,上下端的速度不一致,鸟翼上端的气压比下端气压低,至少可以形成与鸟重量相等的升力。1903年,美国的发明家威尔伯·莱特兄弟经过多年的实验和空气动力学的研究,改变了机翼的角度和面积的设计,使飞行器得到了较大的升力。12月17日清晨,他们在加利福尼亚北部沙漠地带,驾驶着自制的飞机,在空中飞行12秒钟后,安全着陆,人类的飞行梦想终于实现了。

在后来几十年的飞行研究中,人们仿照鸟类的骨骼系统,不断减轻飞机的重量。又根据昆虫的飞行原理改进飞机,不仅实现了超音速飞行,而且使飞行的稳定性大大提高了。

啄木鸟的启示

啄木鸟是鸟纲,列鸟形目鸟类通称,它们是重要的森林益鸟。全世界有啄木鸟200多种。其中我国有20多种,分布极为广泛,大多数地区都能见到。

啄木鸟俗称奔得儿木,原因是人们在寂静的山林里,经常见到啄木鸟攀在树干上,用它的喙叩敲着树木,发出“笃……笃”的声音。这正是啄木鸟在捕捉森林害虫,为树林“治病”。

啄木鸟的身体结构比较特殊,适合于捕捉隐藏在树木中的害虫。它的喙成凿状,舌头极长,舌端有钩,而且能伸出口外甚远。尾巴呈楔状,羽毛硬而富于弹性,足较短,趾两两相对,趾有锐爪,特别适于攀缘在树上。平时可以用锐爪紧紧抓住树木,坚硬的尾巴像个支柱,使身保持平衡,又能帮助支撑体重。这样能够灵巧地沿着树干快速移动,同时还能跳跃。它那坚硬的长喙,通过敲击树林作声,可以准确地寻找蛀虫,一旦发现树内有虫,即啄破树皮,以舌探入,连粘带勾,取出害虫吞下。

啄木鸟的食量很大,一口气可以吞下900条甲虫的幼虫或1000只蚂蚁,而且食类广泛,毛虫、甲虫、天牛、天蛾和虫茧来者不拒。一对啄木鸟就能“保卫”数十亩树木免受虫害。

动物学家曾精确研究过啄木鸟觅食的行为,发现它们啄木的频率达到每秒15~16次,头部向前运动的速度几乎是声音在空气中的速度的2倍,比冲锋枪发射子弹的速度还要快得多,相当于每小时越过2092公里。科学家们经计算得出,在如此快的速度下,啄木鸟头部所承受的冲击力等于它所受重力的1000倍,相当于太空人乘火箭起飞时所受压力的250多倍。

啄木鸟啄木时,在如此大的冲击力作用下,为什么脑部从来不会受损伤,也不会产生头痛症呢?动物学家对啄木鸟的头部进行解剖时找到了答案:啄木鸟的头骨十分坚固,并在大脑的周围有一层海绵状骨骼,里面充满了液体,在它的脑骨外的肌肉特别发达能够消减震动。啄木鸟的头颈部的肌肉配合得天衣无缝,不会产生一点误差,因此它在啄木运动时喙与头部始终保持在一条直线上,这样,尽管啄木鸟每天啄木达1.2万次,它的头部不会受到任何损伤。假如啄木鸟在啄木时头部稍微一歪,这个旋转动作加上冲击力,就会损伤脑部,但事实上是不会出现的。科学家们从啄木鸟的头部结构中得到了启示,在设计安全头盔时,盔顶又坚又簿,在内部填充了坚固轻便的海绵状材料外,还装上一个保护领圈,由于头部保持直线向前,不产生转动,就可保证平安,所以这种头盔比一般防护帽安全得多。除此之外在精密物品的包装运输时,也常使用一些海绵状的减震填充材料。