蜘蛛与仿生学

精品资源蜘蛛与仿生学蜘蛛是自然界最常见的节肢动物之一， 全世界有3.5万多种，有幽灵蛛、圆 网蛛、草蛛、狼蛛、花蛛从天上到地下，从陆地到海洋，到处都有它的踪迹。 大多数蜘蛛都会吐丝织网，蜘网不仅巧妙，复杂，而且功能齐全，设备精细，陷 阱密布，网上有通信线、报警线、行路线、餐室、婚室、育儿室等等，恰如一个 神奇的迷宫。蜘蛛与人类关系密切，生活在田野的蜘蛛，是保卫庄稼的忠诚“卫 土”：跳蛛在地面巡逻；圆蛛、营巢蛛在植物叶面上结网；水狼蛛封锁水面。无 论天上飞的，地上跑的，水上游的，那些飞虱、叶蝉、螟虫、财虫、稻螟岭、稻 苍虫、苍蝇、蚊子等害虫，都难逃众多蜘蛛布下的天罗地网。研究蜘蛛的各种行 为的奥秘，对人类生活，仿生，对高科技都有重大的现实意义。蜘蛛捕食的奥秘与宇宙航行蜘蛛编织了一张网之后，就在哪里“守株待兔”式地捕捉昆虫，这种被动式 的捕获效率还颇高，科学家对此大惑不解。后来、美国耶鲁大学生物学家偶然发 现了其中的奥秘。他们在研究某些品种的蜘蛛进化时发现、蜘蛛网对紫外光反射得特别强，这 是否就是蜘蛛捕虫的奥秘呢？他们将同一只蜘蛛结的两张网放在不同的地方，一张网用紫外光照射，另一张网用不含紫外光的可见光照射。结果发现，有意放入 室内的一群果蝇居然都飞向第一张网了。 科学家们推断，果蝇是因为第一张网反 射了足够多紫外光而误以为飞向蓝天的。更为有趣的是，蜘蛛还会随自身的进化而调整蜘蛛网的光学特性。 进化水平 较低的品种习惯于在暗处结网，它们的网都具有强烈反射紫外光的特点。进化水 平较高的蜘蛛、有些从暗处迁到较明亮处。这样，蜘蛛的捕猎就发生了问题，它 如果仍然像过去一样使所结网反射大量紫外光，反而使昆虫觉得前面不是蓝天而 有某些障碍物，昆虫识破了蜘蛛的用意就不会自投罗网了。然而，道高一尺，魔 高一丈。对于高度进化的蜘蛛，居然能结出不会大量反射紫外光的网。 这种网的 绝大部分都不反射紫外光，加上在较明亮处本来就存在的紫外光， 促使昆虫误以 为这还是蓝天，妙还妙在随着昆虫品种的不同，蜘蛛还会在结新网时调整这些结 点的多少与分布。蜘蛛网的结构也有奥秘在其中，许多人都看到过昆虫在蜘蛛网上拼命挣扎的 情况。经过这样的折腾蜘蛛网仍不破裂，说明它具有很高的强度和柔性，这些特 性来自何方也是一个谜。牛津大学的研究人员发现，蜘蛛网是由两股不同类型的丝线绞合在一起构成 的。网丝中首先是一种干性的直线状线丝， 它是网丝的主干线和支撑物， 最多只 能比原来拉长20%,再拉就会断裂。直线状丝线旁还绞合着另一种粘性的螺旋 状丝线，它是专门用来捕捉昆虫的，可以伸长到原来的4倍，恢复原状后也不会 下垂。在高倍电子显微镜下，可以看到螺旋状丝线周围覆盖着一层胶质液体微滴， 液体中80%是水，其余是脂肪、氨基酸和糖类的混合物。每个微滴中包含着一团丝线，当被捕获的昆虫挣扎着将丝线拉长时， 微滴中的丝团便会展开以增加丝 线的长度。当捕获物不再挣扎时，丝团便会自动复原。英国牛津大学的物理学家唐纳德埃德蒙兹和生物学家弗里茨福拉尔特， 以及伦敦欧文阿勒普伙伴公司的结构工程师洛兰林，最近用电子计算机模型 进一步分析了蜘蛛网，并揭示了蜘蛛网结构上的奥秘。埃德蒙兹说：“如果蜘蛛网不能耗散掉飞进网中昆虫的运动能量的话，昆虫要么将网撞破；要么像从蹦床上弹起来那样被弹出网外。 我们采用这个计算机模 型后出乎意料地发现，空气动力阻尼对捕获这些昆虫有极大的影响， 整张网在空 气中上下来回的飘荡中，运动能量被耗散掉了”。为了证实他们通过计算机模型的发现，这个三人小组在实验室中又再现了模 拟实验。他们用小口径炮将泡沫塑料弹丸发射到真的蜘蛛网上，并测量其效果。 在这种实验规模上，他们发现蜘网四周的空气似有很强的“粘滞性”，跟水中拉 绳子的感觉一样。他们还测量了蜘蛛网所具独特几何外形的平衡压力和张力.发现力被分布在整个网表面。他们认为这种结网的科学道理对建造有许多绳索的帐篷状结构建筑 物，将有指导启迪作用和实用价值。前不久，英国利物浦大学的生物化学家，从生活在南美亚马逊河岸上的一种 毒蜘蛛中提取出它们的毒汁。这种毒汁的奇特之处在于它不杀死其捕猎对象 （昆 虫、小鸟和啮齿动物），仅仅使中毒小动物长时间麻醉昏睡，使之长期有活的食 物储备。现在，利物浦大学的生化学家已根据这种南美毒蜘蛛的毒汁成分， 重新合成 了一种无害的催眠物质。他们打算将这种合成物用在宇航员身上， 使宇航员能在 未来漫长而枯躁的星际航行中处于休眠状态， 借此延长寿命，以便完成目前仅靠 人类寿命还远不能完成的超远距离的宇航使命。蜘蛛丝与用途广泛的化学纤维蜘蛛腹部后端有6个吐丝器，它们与体表的3对纺缰突相通，突上有1000 多个细孔。织网时由此喷出主要由一种纤元蛋白质组成的粘液。它遇到空气后变为坚韧的细丝线。蜘蛛再用第四对足足蹦部外侧的栉毛和末端的爪突， 进行绒纺、 梳整、拉扯、编绞，纺织成结网所用的丝。200克粘液拉成的丝具长度可绕地球 赤道一周；1000多根细丝合成一股，其直径才有人头发丝的1/10。蛛丝对人类 有很大的用处，古希腊人用蛛丝缠在伤口上以止血； 我国医书上记载，用蛛丝治 金疮出血、毒疮等。人们还用蛛丝制成结实柔软的手套、帽子、挂包、丝袜等， 精美耐用。蛛丝细到只有千分之五毫米，被人类用来做精密光学仪器镜片上帮助 瞄准的叉丝。仿生学家从蜘蛛纺锤突受到启发，制造出了现代人造纤维的喷丝头。据化学分析，纤细又坚韧的蛛丝是由丝纤元蛋白质的氨基酸组成比所决定 的。英国工艺学家根据这种丝的组成配比， 正在用遗传工程技术生产蛛丝，以便 人工制造出与天然蛛丝一样具高性能的防弹轻质蛛丝材料。美国科研人员对自然界最纤细的化学纤维也兴趣百倍，他们对蜘蛛丝独有的延伸性、坚固性、丝的结构和功能，以及一只蜘蛛可分泌六种不同用途的丝（结 网丝，悬吊自身的丝，用作育儿室的丝、婚室丝、通信报警丝、路线丝）进行了 深入的研究。已从一种拉丁美洲蜘蛛的体内，找到了可以造丝的基因。如果能把 这种基因分离出来，并转入某些细菌，那末这些细菌将会比蜘蛛能更快更多地生 产蛛丝。因为现在已经知道，蛛丝可用来制造类似玻璃纤维那样牢固而质轻的材 料，作为飞机的保护层和驾驶员头盔。 在医疗方面，它还能用于外科手术的缝合 线，因为蛛丝不会引起免疫系统的反应， 有利于伤口愈合。将来蛛丝会更多地走 向实用化。而人类也会生产出大量的人造蛛丝为人类服务。蜘蛛的感觉一一“震动感受器”与“海底蜘蛛”生物学家发现，蜘蛛视力极弱，几乎是瞎子，又没有嗅觉，它怎样知道昆虫 落网，以迅猛之势扑向猎物呢？原来，蜘蛛大腿上有灵敏的“震动感受器”。生 物学家透过电子显微镜发现，蜘蛛肢体角质层组织内有一种弹性感觉器官， 每个 器官上排列着不同的细微间隙，宽约 1.5微米，长8200微米，在器官周围包 有一层薄膜，连接着感觉细胞的终端。这种间隙组织极为灵敏，对极轻微的刺激 即可感知，并发生变形而牵动薄膜，迅速将信息传给感觉细胞，蜘蛛便会及时判 明方向，捕食猎物。在军事上，人类根据蜘蛛张网及感知“飞将军”入网的原理，模拟制造出监 视水下敌情系统一一“海底蜘蛛”。早在 60年代，美国海军就在水下建立了十 分严密的监视系统一一“海底蜘蛛”。它能将水下各种声波变换为信号，发往中 心站，并在电子计算机控制的设备上显示出来。美国在太平洋的“海底蜘蛛”规 模很大，从阿拉斯加的顶端沿着美国西海岸 2000多公里，向南一直延伸到加利 福尼亚半岛。另外，在夏威夷群岛周围 2000多公里处，也有一个环形“海底蜘 蛛”。太平洋“海底蜘蛛”的工作范围可达 100多万平方公里，航行在这个范围 内的一切舰船的类型、吨位、航向和航速都可通过其灵敏的“震动感受器”传至 中心站。1968年2月的一天，原苏联的一艘导弹核潜艇离开海参威向太平洋驶去, 突然，艇内发生强烈爆炸，结果这艘排水量为300吨的导弹潜艇连呼救信号都来 不及发出便沉入4800米的海底。原苏联海军不断发出联系信号，又派出电子情 报船四处寻找，但始终不知其下落。可是美国的“海底蜘蛛” 一开始就跟踪了这 艘潜艇，直到它爆炸，所以知道沉船的准确位置。蜘蛛的液压腿与现代机器人身高不到一厘米，大腿又无肌肉的蜘蛛却有惊人的弹跳力，可跳十几厘米高。 蜘蛛可畅行于网上，行动敏捷，生物学家通过显微动态摄影观察， 揭开了其中奥 秘。蜘蛛大腿内充满奇特的液体，相当于一个液压装置，可根据情况自行调节液压的强弱。一旦遇到紧急情况，蜘蛛大腿内就会充满液体而使腿由软变硬，爆发出力量一跃而起。仿生学家们模仿这种奇妙的液压腿， 研制出一种步行机，行走 弹跳灵活敏捷。用于机械手，机器人的“关节”中，更妙不可言。医学上受到这 种液压腿的启迪，正在根据蜘蛛腿中液压自动调节的原理， 设计用来调节人体血 压高或低的仿生装置。止匕外，蜘蛛对大气中湿度变化敏感，有“活湿度计”之称，它能预知未来气 候变化情况，因此对气象预测也有用处。 欢下载