蜘蛛與仿生學(xué)

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1、精品資源 蜘蛛與仿生學(xué) 蜘蛛是自然界最常見的節(jié)肢動(dòng)物之一， 全世界有3.5萬多種，有幽靈蛛、圓 網(wǎng)蛛、草蛛、狼蛛、花蛛……從天上到地下，從陸地到海洋，到處都有它的蹤跡。 大多數(shù)蜘蛛都會(huì)吐絲織網(wǎng)，蜘網(wǎng)不僅巧妙，復(fù)雜，而且功能齊全，設(shè)備精細(xì)，陷 阱密布，網(wǎng)上有通信線、報(bào)警線、行路線、餐室、婚室、育兒室等等，恰如一個(gè) 神奇的迷宮。蜘蛛與人類關(guān)系密切，生活在田野的蜘蛛，是保衛(wèi)莊稼的忠誠“衛(wèi) 土”：跳蛛在地面巡邏；圓蛛、營巢蛛在植物葉面上結(jié)網(wǎng)；水狼蛛封鎖水面。無 論天上飛的，地上跑的，水上游的，那些飛虱、葉蟬、螟蟲、財(cái)蟲、稻螟嶺、稻 蒼蟲、蒼蠅、蚊子等害蟲，都難逃眾多蜘蛛布下的天羅地網(wǎng)。研究蜘蛛

2、的各種行 為的奧秘，對(duì)人類生活，仿生，對(duì)高科技都有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 蜘蛛捕食的奧秘與宇宙航行 蜘蛛編織了一張網(wǎng)之后，就在哪里“守株待兔”式地捕捉昆蟲，這種被動(dòng)式 的捕獲效率還頗高，科學(xué)家對(duì)此大惑不解。后來、美國耶魯大學(xué)生物學(xué)家偶然發(fā) 現(xiàn)了其中的奧秘。 他們?cè)谘芯磕承┢贩N的蜘蛛進(jìn)化時(shí)發(fā)現(xiàn)、蜘蛛網(wǎng)對(duì)紫外光反射得特別強(qiáng)，這 是否就是蜘蛛捕蟲的奧秘呢？他們將同一只蜘蛛結(jié)的兩張網(wǎng)放在不同的地方， 一 張網(wǎng)用紫外光照射，另一張網(wǎng)用不含紫外光的可見光照射。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有意放入 室內(nèi)的一群果蠅居然都飛向第一張網(wǎng)了。 科學(xué)家們推斷，果蠅是因?yàn)榈谝粡埦W(wǎng)反 射了足夠多紫外光而誤以為飛向藍(lán)天的。 更為有趣的是

3、，蜘蛛還會(huì)隨自身的進(jìn)化而調(diào)整蜘蛛網(wǎng)的光學(xué)特性。 進(jìn)化水平 較低的品種習(xí)慣于在暗處結(jié)網(wǎng)，它們的網(wǎng)都具有強(qiáng)烈反射紫外光的特點(diǎn)。進(jìn)化水 平較高的蜘蛛、有些從暗處遷到較明亮處。這樣，蜘蛛的捕獵就發(fā)生了問題，它 如果仍然像過去一樣使所結(jié)網(wǎng)反射大量紫外光，反而使昆蟲覺得前面不是藍(lán)天而 有某些障礙物，昆蟲識(shí)破了蜘蛛的用意就不會(huì)自投羅網(wǎng)了。然而，道高一尺，魔 高一丈。對(duì)于高度進(jìn)化的蜘蛛，居然能結(jié)出不會(huì)大量反射紫外光的網(wǎng)。 這種網(wǎng)的 絕大部分都不反射紫外光，加上在較明亮處本來就存在的紫外光， 促使昆蟲誤以 為這還是藍(lán)天，妙還妙在隨著昆蟲品種的不同，蜘蛛還會(huì)在結(jié)新網(wǎng)時(shí)調(diào)整這些結(jié) 點(diǎn)的多少與分布。 蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也

4、有奧秘在其中，許多人都看到過昆蟲在蜘蛛網(wǎng)上拼命掙扎的 情況。經(jīng)過這樣的折騰蜘蛛網(wǎng)仍不破裂，說明它具有很高的強(qiáng)度和柔性，這些特 性來自何方也是一個(gè)謎。 牛津大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，蜘蛛網(wǎng)是由兩股不同類型的絲線絞合在一起構(gòu)成 的。網(wǎng)絲中首先是一種干性的直線狀線絲， 它是網(wǎng)絲的主干線和支撐物， 最多只 能比原來拉長(zhǎng)20%,再拉就會(huì)斷裂。直線狀絲線旁還絞合著另一種粘性的螺旋 狀絲線，它是專門用來捕捉昆蟲的，可以伸長(zhǎng)到原來的4倍，恢復(fù)原狀后也不會(huì) 下垂。在高倍電子顯微鏡下，可以看到螺旋狀絲線周圍覆蓋著一層膠質(zhì)液體微滴， 液體中80%是水，其余是脂肪、氨基酸和糖類的混合物。每個(gè)微滴中包含著一 團(tuán)絲線，當(dāng)被

5、捕獲的昆蟲掙扎著將絲線拉長(zhǎng)時(shí)， 微滴中的絲團(tuán)便會(huì)展開以增加絲 線的長(zhǎng)度。當(dāng)捕獲物不再掙扎時(shí)，絲團(tuán)便會(huì)自動(dòng)復(fù)原。 英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家唐納德?埃德蒙茲和生物學(xué)家弗里茨?福拉爾特， 以及倫敦歐文?阿勒普伙伴公司的結(jié)構(gòu)工程師洛蘭?林，最近用電子計(jì)算機(jī)模型 進(jìn)一步分析了蜘蛛網(wǎng)，并揭示了蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的奧秘。 埃德蒙茲說：“如果蜘蛛網(wǎng)不能耗散掉飛進(jìn)網(wǎng)中昆蟲的運(yùn)動(dòng)能量的話， 昆蟲 要么將網(wǎng)撞破；要么像從蹦床上彈起來那樣被彈出網(wǎng)外。 我們采用這個(gè)計(jì)算機(jī)模 型后出乎意料地發(fā)現(xiàn)，空氣動(dòng)力阻尼對(duì)捕獲這些昆蟲有極大的影響， 整張網(wǎng)在空 氣中上下來回的飄蕩中，運(yùn)動(dòng)能量被耗散掉了”。 為了證實(shí)他們通過計(jì)算機(jī)模型

6、的發(fā)現(xiàn)，這個(gè)三人小組在實(shí)驗(yàn)室中又再現(xiàn)了模 擬實(shí)驗(yàn)。他們用小口徑炮將泡沫塑料彈丸發(fā)射到真的蜘蛛網(wǎng)上，并測(cè)量其效果。 在這種實(shí)驗(yàn)規(guī)模上，他們發(fā)現(xiàn)蜘網(wǎng)四周的空氣似有很強(qiáng)的“粘滯性”，跟水中拉 繩子的感覺一樣。 他們還測(cè)量了蜘蛛網(wǎng)所具獨(dú)特幾何外形的平衡壓力和張力. 發(fā)現(xiàn)力被分布在 整個(gè)網(wǎng)表面。他們認(rèn)為這種結(jié)網(wǎng)的科學(xué)道理對(duì)建造有許多繩索的帳篷狀結(jié)構(gòu)建筑 物，將有指導(dǎo)啟迪作用和實(shí)用價(jià)值。 前不久，英國利物浦大學(xué)的生物化學(xué)家，從生活在南美亞馬遜河岸上的一種 毒蜘蛛中提取出它們的毒汁。這種毒汁的奇特之處在于它不殺死其捕獵對(duì)象 （昆 蟲、小鳥和嚙齒動(dòng)物），僅僅使中毒小動(dòng)物長(zhǎng)時(shí)間麻醉昏睡，使之長(zhǎng)期有活的食

7、物儲(chǔ)備。 現(xiàn)在，利物浦大學(xué)的生化學(xué)家已根據(jù)這種南美毒蜘蛛的毒汁成分， 重新合成 了一種無害的催眠物質(zhì)。他們打算將這種合成物用在宇航員身上， 使宇航員能在 未來漫長(zhǎng)而枯躁的星際航行中處于休眠狀態(tài)， 借此延長(zhǎng)壽命，以便完成目前僅靠 人類壽命還遠(yuǎn)不能完成的超遠(yuǎn)距離的宇航使命。 蜘蛛絲與用途廣泛的化學(xué)纖維 蜘蛛腹部后端有6個(gè)吐絲器，它們與體表的3對(duì)紡韁突相通，突上有1000 多個(gè)細(xì)孔?？椌W(wǎng)時(shí)由此噴出主要由一種纖元蛋白質(zhì)組成的粘液。 它遇到空氣后變 為堅(jiān)韌的細(xì)絲線。蜘蛛再用第四對(duì)足足蹦部外側(cè)的櫛毛和末端的爪突， 進(jìn)行絨紡、 梳整、拉扯、編絞，紡織成結(jié)網(wǎng)所用的絲。200克粘液拉成的絲具長(zhǎng)度可繞地球

8、 赤道一周；1000多根細(xì)絲合成一股，其直徑才有人頭發(fā)絲的1/10。蛛絲對(duì)人類 有很大的用處，古希臘人用蛛絲纏在傷口上以止血； 我國醫(yī)書上記載，用蛛絲治 金瘡出血、毒瘡等。人們還用蛛絲制成結(jié)實(shí)柔軟的手套、帽子、掛包、絲襪等， 精美耐用。蛛絲細(xì)到只有千分之五毫米，被人類用來做精密光學(xué)儀器鏡片上幫助 瞄準(zhǔn)的叉絲。仿生學(xué)家從蜘蛛紡錘突受到啟發(fā)，制造出了現(xiàn)代人造纖維的噴絲頭。 據(jù)化學(xué)分析，纖細(xì)又堅(jiān)韌的蛛絲是由絲纖元蛋白質(zhì)的氨基酸組成比所決定 的。英國工藝學(xué)家根據(jù)這種絲的組成配比， 正在用遺傳工程技術(shù)生產(chǎn)蛛絲，以便 人工制造出與天然蛛絲一樣具高性能的防彈輕質(zhì)蛛絲材料。 美國科研人員對(duì)自然界最纖細(xì)的化

9、學(xué)纖維也興趣百倍， 他們對(duì)蜘蛛絲獨(dú)有的 延伸性、堅(jiān)固性、絲的結(jié)構(gòu)和功能，以及一只蜘蛛可分泌六種不同用途的絲（結(jié) 網(wǎng)絲，懸吊自身的絲，用作育兒室的絲、婚室絲、通信報(bào)警絲、路線絲）進(jìn)行了 深入的研究。已從一種拉丁美洲蜘蛛的體內(nèi)，找到了可以造絲的基因。如果能把 這種基因分離出來，并轉(zhuǎn)入某些細(xì)菌，那末這些細(xì)菌將會(huì)比蜘蛛能更快更多地生 產(chǎn)蛛絲。因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)知道，蛛絲可用來制造類似玻璃纖維那樣牢固而質(zhì)輕的材 料，作為飛機(jī)的保護(hù)層和駕駛員頭盔。 在醫(yī)療方面，它還能用于外科手術(shù)的縫合 線，因?yàn)橹虢z不會(huì)引起免疫系統(tǒng)的反應(yīng)， 有利于傷口愈合。將來蛛絲會(huì)更多地走 向?qū)嵱没６祟愐矔?huì)生產(chǎn)出大量的人造蛛絲為人類服務(wù)

10、。 蜘蛛的感覺一一“震動(dòng)感受器”與“海底蜘蛛” 生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蜘蛛視力極弱，幾乎是瞎子，又沒有嗅覺，它怎樣知道昆蟲 落網(wǎng)，以迅猛之勢(shì)撲向獵物呢？原來，蜘蛛大腿上有靈敏的“震動(dòng)感受器”。生 物學(xué)家透過電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，蜘蛛肢體角質(zhì)層組織內(nèi)有一種彈性感覺器官， 每個(gè) 器官上排列著不同的細(xì)微間隙，寬約 1.5微米，長(zhǎng)8?200微米，在器官周圍包 有一層薄膜，連接著感覺細(xì)胞的終端。這種間隙組織極為靈敏，對(duì)極輕微的刺激 即可感知，并發(fā)生變形而牽動(dòng)薄膜，迅速將信息傳給感覺細(xì)胞，蜘蛛便會(huì)及時(shí)判 明方向，捕食獵物。 在軍事上，人類根據(jù)蜘蛛張網(wǎng)及感知“飛將軍”入網(wǎng)的原理，模擬制造出監(jiān) 視水下敵情系統(tǒng)一一“海

11、底蜘蛛”。早在 60年代，美國海軍就在水下建立了十 分嚴(yán)密的監(jiān)視系統(tǒng)一一“海底蜘蛛”。它能將水下各種聲波變換為信號(hào)，發(fā)往中 心站，并在電子計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備上顯示出來。美國在太平洋的“海底蜘蛛”規(guī) 模很大，從阿拉斯加的頂端沿著美國西海岸 2000多公里，向南一直延伸到加利 福尼亞半島。另外，在夏威夷群島周圍 2000多公里處，也有一個(gè)環(huán)形“海底蜘 蛛”。太平洋“海底蜘蛛”的工作范圍可達(dá) 100多萬平方公里，航行在這個(gè)范圍 內(nèi)的一切艦船的類型、噸位、航向和航速都可通過其靈敏的“震動(dòng)感受器”傳至 中心站。 1968年2月的一天，原蘇聯(lián)的一艘導(dǎo)彈核潛艇離開海參威向太平洋駛?cè)? 突然，艇內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸

12、，結(jié)果這艘排水量為300噸的導(dǎo)彈潛艇連呼救信號(hào)都來 不及發(fā)出便沉入4800米的海底。原蘇聯(lián)海軍不斷發(fā)出聯(lián)系信號(hào)，又派出電子情 報(bào)船四處尋找，但始終不知其下落?？墒敲绹摹昂５字┲搿?一開始就跟蹤了這 艘潛艇，直到它爆炸，所以知道沉船的準(zhǔn)確位置。 蜘蛛的液壓腿與現(xiàn)代機(jī)器人 身高不到一厘米，大腿又無肌肉的蜘蛛?yún)s有驚人的彈跳力，可跳十幾厘米高。 蜘蛛可暢行于網(wǎng)上，行動(dòng)敏捷，生物學(xué)家通過顯微動(dòng)態(tài)攝影觀察， 揭開了其中奧 秘。蜘蛛大腿內(nèi)充滿奇特的液體，相當(dāng)于一個(gè)液壓裝置，可根據(jù)情況自行調(diào)節(jié)液 壓的強(qiáng)弱。一旦遇到緊急情況，蜘蛛大腿內(nèi)就會(huì)充滿液體而使腿由軟變硬， 爆發(fā) 出力量一躍而起。仿生學(xué)家們模仿這種奇妙的液壓腿， 研制出一種步行機(jī)，行走 彈跳靈活敏捷。用于機(jī)械手，機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”中，更妙不可言。醫(yī)學(xué)上受到這 種液壓腿的啟迪，正在根據(jù)蜘蛛腿中液壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的原理， 設(shè)計(jì)用來調(diào)節(jié)人體血 壓高或低的仿生裝置。 止匕外，蜘蛛對(duì)大氣中濕度變化敏感，有“活濕度計(jì)”之稱，它能預(yù)知未來氣 候變化情況，因此對(duì)氣象預(yù)測(cè)也有用處。 歡下載