生物模拟和生物电子学 [复制链接]

第5版()
专栏：

生物模拟和生物电子学
陆晟
最近几年，从生物学和物理学的边缘科学——生物物理学中，又演化出一门新的学科，就是生物电子学，也有人称之为仿生电子学或生物技术学。
人只是在近二十年来才掌握了无线电测位术（它曾在第二次世界大战中发挥过很大作用），而蝙蝠却是天生的“电台”和“检听器”。蝙蝠经常从喉头发射出3万到7万赫芝（频率的单位，1赫芝＝1次／秒）的超声波，借助于波动遇到障碍物的反射，判断出障碍物的距离。因此，蝙蝠即或在昏黑的夜里飞行，也不致碰上一根细小的铁丝。响尾蛇、五步蛇和铜头蛇借助一种热敏器官，发现有热气的东西，捕获猎物。根据解剖学的研究，这种热敏器官是上颚骨的凹坑，即位于鼻孔与眼睛之间的小窝；每一个窝中距离入口不远处均有一横隔膜，把小窝分成内外二小室。隔膜的厚度约在0．025毫米左右，上面满布着神经末梢。它的工作方式很像红外线定向器和追踪火箭的机制。蜜蜂的眼睛是由几百只小眼组成的复眼，每一个小眼都可以出现独立的景象。小眼又由八个部分组成，它们好似检偏振器，可以根据光线的方向不同而让不同强度的偏振光通过；只要知道光的偏振面，即使看不见光源，也能确定出它的位置。因此，蜜蜂在乌云蔽日时，也能确定太阳的方向。光学仪器家根据这个原理，为航海家制造了一种偏振光天文罗盘，从而使天空有乌云时的定向问题获得解决。这三个例子说明，自然界中充满着多么奇妙的生物机器，而且它们给了人类多么重大的启示！
人在生物学研究中获得启发，从而在工业生产上获得了新创造。随着人们认识的逐渐深入，人们不但揭露了更多的生物机器的秘密，而且也成功地模拟了这些生物机器的机制，甚至超过它们。由于各方面的迫切需要，解剖学、形态学、生理学、生物化学、生物物理学以及物理学、化学、数学等科学的迅速发展，这方面的工作近年来更有很大开展，从而建立了一门独立的学科——生物电子学。从这个名称就能知道，它由生物学和电子学两门学科的共同范围所构成。生物电子学的目的即在于，专从生物的感觉和行为中，挖掘可以模拟的事物，创造生物机器。
生物电子学虽属初创，但已取得不少成就，并且正在一日千里地发展。鸟爪和兽齿终生保持锐利不钝，科学家发现，原来它们是由软硬不同的、即耐磨性不同的两层物质构成的，外层最硬，越里面越软。在使用时由于软的部分易磨损，硬的一层磨损较慢，所以它们能经常保持锐利。苏联生物学家依据这个原理，制出一种由若干片硬度不同的合金钢片压合成的新型车刀，外层硬度最大，内侧硬度递减，增加了耐磨力。科学家还注意到双翅目昆虫苍蝇的飞行。当一头苍蝇紧紧追赶另一头迅速飞行的苍蝇时，它能丝毫不差地重复着它的目标的“飞行花样”。它能这样迅速调节控制自己的飞行，就是靠着由后翅演化成的两根平衡棒的作用。苍蝇停落的时候，平衡棒不动；但只要一飞起来，平衡棒就沿着大约90度的圆弧在垂直面上振动。在其基底部的感觉器官感知外界影响自己飞行的角速度后，苍蝇便立刻设法纠正自己的飞行姿势。人们利用这个原理已经制成一种振动式无转子陀螺仪，它有着结构简单、经久耐用、对温度保持稳定、成本低等优点。目前用它代替了双自由度陀螺仪，作为飞机等的角速度指示器，但它还不能替代定方位的其它陀螺仪，有待于改进。烟幕弹的制作和使用，就是从乌鰂那里学来的。近两年，美国一家飞机公司还利用乌鰂喷射方法作模型，制作了潜水艇的水下喷射装置。哺乳动物鲸目中的海豚，能毫不费力地以每秒15米的高速度，将普通的机轮和潜水艇远远抛在后面。它为什么能游得这样快呢？原来潜水艇的宝贵推动力有90％花在钢板与水的摩擦阻力上，而海豚则生有富于弹性并带有毛细管的皮肤，这种构造能削减摩擦阻力。现在，人们模仿海豚的皮肤，已经制成功一种特殊的人造革，套上这种薄膜的船只，能减少阻力50％。前面提到蝙蝠能发出超声波，其实会发射超声波的具备第六感官的动物还有很多。海豚靠头部迅速地上下摇动及借助于鼻腔的协作，能发出频率高达196，000赫芝的狩猎呼号，按照回声选择它的路线并且准确无误地冲向它的食饵；哪怕在混水中，它也能在15米外侦察出仅有2．5厘米长的食料。生物电子学家也注意到，生长在拉丁美洲的泥浊水中和非洲的池塘、河流中的电鳗和刀鱼，它们本身都带着一个电场。这些电鱼正是凭借电场内电压发生改变，或有外力干扰等等来选择游行方向的。有位英国科学家认为，这些电鱼能靠电场内各个外来物体的电导或电阻来决定它们。这种对环境改变能如此迅速反应的机制还有待于进一步查明，目前人工制造的定位器官还远不及它。不少鸟类的迁徙是依靠星宿来定向的。有一种大海龟，它在大洋中远游数千里，总是每三年游回原来的海滨产卵。美国有位生物学家深信它也是以星辰确定方向的，并希望通过对它的研究找到航行的更佳通讯设备。
生物电子学家正在致力于创造改进的电子计算机——“电脑”。从控制论的观点看，现代电子计算机按其构造与工作过程的结构，在一定程度上是神经系统和神经过程的物理模型。生物机器是一种仿造生物机体的仪器，它能够将自己的结构时常改变以适应其环境，而且在此过程中只需要最低量的“前信息”。这种适应仅仅需要根据以前所获得的经验就可以。现今研究的中心问题之一是神经元的仿制。人脑作为控制系统，是一个最复杂、最奥妙、最完善的自动控制机。目前最好的电子计算机比人脑消耗的电能要多几十万倍，而“记忆”和“思考”能力还远远比不上人脑。在开展这项研究中，科学家制作出许多神经系统的反射模型——“电子动物”。例如，苏联科学家制造了一种电子小狗，它能觉察出前进道路上的小坑和小沟，并能自动绕过这些障碍物。法国科学家制造了两只电子狐狸，它们能够相互嬉戏。科学家也已制成功一种“感受机”，它有阅读印刷体字母的一定能力。控制论本身就是受到生物的启发而发展起来的尖端科学，它的创始人维纳的《控制论》一书，副题即为《关于在动物和机器中控制和通讯的科学》；而“电脑”的研究制造，尚有待于生物电子学家与控制论工作者等人的共同努力。
在宇宙飞船飞行时，温度的调节十分重要。在宇宙空间中，飞船受太阳光晒的一面很烫，背太阳的一面则很冷。如果日光直射于宇宙航行员的宇宙航行服上，它的温度也会急剧上升。人们把解决这些问题的希望寄托于模拟生物机器。爬行纲动物是变温动物，有些两栖的爬虫类动物的皮肤内，能靠特有的色素细胞调节体温。当色素细胞缩小时，皮肤的颜色变浅，会把大部分阳光反射掉；反之，在色素细胞扩张时，皮肤的颜色加深，能吸收很多阳光，使体温升高。昆虫中有一种螺钿蛱蝶，也是变温动物，但它靠着翅上细小的鳞片所处状态的改变，来调节太阳光照射的角度，增减接受的热量。因此，科学家提出了一个方案，即仿效爬虫类给宇宙飞行服涂上一定的颜色，使它在某种场合下吸收或反射一定数量的光线。至于飞船的外壳则可以向蝴蝶学习，即在船身安上一层能活动的“鳞片”，凭借改变“鳞片”的倾斜角度，来调节宇宙飞船船身和座舱内的温度。科学家也正在研究蝗虫和袋鼠的跳跃机制，以便制造能适应月球和地球上坎坷不平的地形的车辆。
总之，这门科学虽然还很年轻，但是由于它与生产、科学技术和军事国防等有密切联系，它的重要性越来越明显了。