蜘蛛與仿生學

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1、精品資源 蜘蛛與仿生學 蜘蛛是自然界最常見的節(jié)肢動物之一， 全世界有3.5萬多種，有幽靈蛛、圓 網蛛、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)蜘蛛都會吐絲織網，蜘網不僅巧妙，復雜，而且功能齊全，設備精細，陷 阱密布，網上有通信線、報警線、行路線、餐室、婚室、育兒室等等，恰如一個 神奇的迷宮。蜘蛛與人類關系密切，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網；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。研究蜘蛛

2、的各種行 為的奧秘，對人類生活，仿生，對高科技都有重大的現(xiàn)實意義。 蜘蛛捕食的奧秘與宇宙航行 蜘蛛編織了一張網之后，就在哪里“守株待兔”式地捕捉昆蟲，這種被動式 的捕獲效率還頗高，科學家對此大惑不解。后來、美國耶魯大學生物學家偶然發(fā) 現(xiàn)了其中的奧秘。 他們在研究某些品種的蜘蛛進化時發(fā)現(xiàn)、蜘蛛網對紫外光反射得特別強，這 是否就是蜘蛛捕蟲的奧秘呢？他們將同一只蜘蛛結的兩張網放在不同的地方， 一 張網用紫外光照射，另一張網用不含紫外光的可見光照射。結果發(fā)現(xiàn)，有意放入 室內的一群果蠅居然都飛向第一張網了。 科學家們推斷，果蠅是因為第一張網反 射了足夠多紫外光而誤以為飛向藍天的。 更為有趣的是

3、，蜘蛛還會隨自身的進化而調整蜘蛛網的光學特性。 進化水平 較低的品種習慣于在暗處結網，它們的網都具有強烈反射紫外光的特點。進化水 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網反射大量紫外光，反而使昆蟲覺得前面不是藍天而 有某些障礙物，昆蟲識破了蜘蛛的用意就不會自投羅網了。然而，道高一尺，魔 高一丈。對于高度進化的蜘蛛，居然能結出不會大量反射紫外光的網。 這種網的 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 為這還是藍天，妙還妙在隨著昆蟲品種的不同，蜘蛛還會在結新網時調整這些結 點的多少與分布。 蜘蛛網的結構也

4、有奧秘在其中，許多人都看到過昆蟲在蜘蛛網上拼命掙扎的 情況。經過這樣的折騰蜘蛛網仍不破裂，說明它具有很高的強度和柔性，這些特 性來自何方也是一個謎。 牛津大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，蜘蛛網是由兩股不同類型的絲線絞合在一起構成 的。網絲中首先是一種干性的直線狀線絲， 它是網絲的主干線和支撐物， 最多只 能比原來拉長20%,再拉就會斷裂。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，可以伸長到原來的4倍，恢復原狀后也不會 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。每個微滴中包含著一 團絲線，當被

5、捕獲的昆蟲掙扎著將絲線拉長時， 微滴中的絲團便會展開以增加絲 線的長度。當捕獲物不再掙扎時，絲團便會自動復原。 英國牛津大學的物理學家唐納德?埃德蒙茲和生物學家弗里茨?福拉爾特， 以及倫敦歐文?阿勒普伙伴公司的結構工程師洛蘭?林，最近用電子計算機模型 進一步分析了蜘蛛網，并揭示了蜘蛛網結構上的奧秘。 埃德蒙茲說：“如果蜘蛛網不能耗散掉飛進網中昆蟲的運動能量的話， 昆蟲 要么將網撞破；要么像從蹦床上彈起來那樣被彈出網外。 我們采用這個計算機模 型后出乎意料地發(fā)現(xiàn)，空氣動力阻尼對捕獲這些昆蟲有極大的影響， 整張網在空 氣中上下來回的飄蕩中，運動能量被耗散掉了”。 為了證實他們通過計算機模型

6、的發(fā)現(xiàn)，這個三人小組在實驗室中又再現(xiàn)了模 擬實驗。他們用小口徑炮將泡沫塑料彈丸發(fā)射到真的蜘蛛網上，并測量其效果。 在這種實驗規(guī)模上，他們發(fā)現(xiàn)蜘網四周的空氣似有很強的“粘滯性”，跟水中拉 繩子的感覺一樣。 他們還測量了蜘蛛網所具獨特幾何外形的平衡壓力和張力. 發(fā)現(xiàn)力被分布在 整個網表面。他們認為這種結網的科學道理對建造有許多繩索的帳篷狀結構建筑 物，將有指導啟迪作用和實用價值。 前不久，英國利物浦大學的生物化學家，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象 （昆 蟲、小鳥和嚙齒動物），僅僅使中毒小動物長時間麻醉昏睡，使之長期有活的食

7、物儲備。 現(xiàn)在，利物浦大學的生化學家已根據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。他們打算將這種合成物用在宇航員身上， 使宇航員能在 未來漫長而枯躁的星際航行中處于休眠狀態(tài)， 借此延長壽命，以便完成目前僅靠 人類壽命還遠不能完成的超遠距離的宇航使命。 蜘蛛絲與用途廣泛的化學纖維 蜘蛛腹部后端有6個吐絲器，它們與體表的3對紡韁突相通，突上有1000 多個細孔?？椌W時由此噴出主要由一種纖元蛋白質組成的粘液。 它遇到空氣后變 為堅韌的細絲線。蜘蛛再用第四對足足蹦部外側的櫛毛和末端的爪突， 進行絨紡、 梳整、拉扯、編絞，紡織成結網所用的絲。200克粘液拉成的絲具長度可繞地球

8、 赤道一周；1000多根細絲合成一股，其直徑才有人頭發(fā)絲的1/10。蛛絲對人類 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實柔軟的手套、帽子、掛包、絲襪等， 精美耐用。蛛絲細到只有千分之五毫米，被人類用來做精密光學儀器鏡片上幫助 瞄準的叉絲。仿生學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。 據化學分析，纖細又堅韌的蛛絲是由絲纖元蛋白質的氨基酸組成比所決定 的。英國工藝學家根據這種絲的組成配比， 正在用遺傳工程技術生產蛛絲，以便 人工制造出與天然蛛絲一樣具高性能的防彈輕質蛛絲材料。 美國科研人員對自然界最纖細的化

9、學纖維也興趣百倍， 他們對蜘蛛絲獨有的 延伸性、堅固性、絲的結構和功能，以及一只蜘蛛可分泌六種不同用途的絲（結 網絲，懸吊自身的絲，用作育兒室的絲、婚室絲、通信報警絲、路線絲）進行了 深入的研究。已從一種拉丁美洲蜘蛛的體內，找到了可以造絲的基因。如果能把 這種基因分離出來，并轉入某些細菌，那末這些細菌將會比蜘蛛能更快更多地生 產蛛絲。因為現(xiàn)在已經知道，蛛絲可用來制造類似玻璃纖維那樣牢固而質輕的材 料，作為飛機的保護層和駕駛員頭盔。 在醫(yī)療方面，它還能用于外科手術的縫合 線，因為蛛絲不會引起免疫系統(tǒng)的反應， 有利于傷口愈合。將來蛛絲會更多地走 向實用化。而人類也會生產出大量的人造蛛絲為人類服務

10、。 蜘蛛的感覺一一“震動感受器”與“海底蜘蛛” 生物學家發(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，以迅猛之勢撲向獵物呢？原來，蜘蛛大腿上有靈敏的“震動感受器”。生 物學家透過電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，蜘蛛肢體角質層組織內有一種彈性感覺器官， 每個 器官上排列著不同的細微間隙，寬約 1.5微米，長8?200微米，在器官周圍包 有一層薄膜，連接著感覺細胞的終端。這種間隙組織極為靈敏，對極輕微的刺激 即可感知，并發(fā)生變形而牽動薄膜，迅速將信息傳給感覺細胞，蜘蛛便會及時判 明方向，捕食獵物。 在軍事上，人類根據蜘蛛張網及感知“飛將軍”入網的原理，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，發(fā)往中 心站，并在電子計算機控制的設備上顯示出來。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，也有一個環(huán)形“海底蜘 蛛”。太平洋“海底蜘蛛”的工作范圍可達 100多萬平方公里，航行在這個范圍 內的一切艦船的類型、噸位、航向和航速都可通過其靈敏的“震動感受器”傳至 中心站。 1968年2月的一天，原蘇聯(lián)的一艘導彈核潛艇離開海參威向太平洋駛去, 突然，艇內發(fā)生強烈爆炸

12、，結果這艘排水量為300噸的導彈潛艇連呼救信號都來 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，又派出電子情 報船四處尋找，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，所以知道沉船的準確位置。 蜘蛛的液壓腿與現(xiàn)代機器人 身高不到一厘米，大腿又無肌肉的蜘蛛卻有驚人的彈跳力，可跳十幾厘米高。 蜘蛛可暢行于網上，行動敏捷，生物學家通過顯微動態(tài)攝影觀察， 揭開了其中奧 秘。蜘蛛大腿內充滿奇特的液體，相當于一個液壓裝置，可根據情況自行調節(jié)液 壓的強弱。一旦遇到緊急情況，蜘蛛大腿內就會充滿液體而使腿由軟變硬， 爆發(fā) 出力量一躍而起。仿生學家們模仿這種奇妙的液壓腿， 研制出一種步行機，行走 彈跳靈活敏捷。用于機械手，機器人的“關節(jié)”中，更妙不可言。醫(yī)學上受到這 種液壓腿的啟迪，正在根據蜘蛛腿中液壓自動調節(jié)的原理， 設計用來調節(jié)人體血 壓高或低的仿生裝置。 止匕外，蜘蛛對大氣中濕度變化敏感，有“活濕度計”之稱，它能預知未來氣 候變化情況，因此對氣象預測也有用處。 歡下載