Stel 生物 与 仿生 Rah # Fe is PEF De AR HY Mi Ht: MET @ as =< a 编者 的 话 仿生 学 是 生物 科学 和 技术 科学 之 韶 的 一 门 边缘 科学 ， 诈 生 于 二 十 世纪 六 十 年 代 初 期 ， 至 今 虽 然 仅 有 二 十 年 的 历史 ， 但 是 ， 已 以 强大 的 生命 活力 渗透 到 各 个 学 科 领 域 。 在 现代 科 学 技术 发 展 的 历程 中 ， 仿 生 学 为 工程 技术 提供 了 新 颖 、 精 妖 的 生物 设计 蓝图 发挥 了 独特 的 作用 。 尤 其 在 近 十 年 来 ， 仿 生 学 的 发 展 非常 迅速 ， 科 研 成 果 五 光 十 色 ， 累 累 可 观 。 在 我 国 为 实现 四 个 现代 化 而 努力 奋斗 的 历史 任务 中 ， 仿 生 学 也 必 将 发 挥 重要 的 作用 。《 生 物 与 仿生 》 这 本 小 册子 并 不 涉及 仿生 学 的 具体 内 容 ， 而 是 以 仿生 学 在 某 些 科学 领域 内 ， 已 经 取得 的 若干 科研 成 果 为 例 ， 向 读者 介绍 仿生 学 的 发 生发 展 概况 。 为 便于 读者 了 解 各 项 仿生 成 果 的 由 来 ， 本 文 也 介绍 了 一 些 与 仿生 成 果 有 关 的 知识 ， 例 如 生物 原型 的 结构 与 功能 、 生 物体 内 的 物理 、 化 学 现象 、 实 现 功能 的 机 理 、 涉 及 其 他 学 科 的 基 本 知识 和 资料 以 及 仿生 学 的 设想 等 。 这 本 小 册子 可 供 中 学 教 师 教 学 参考 ， 也 可 作为 大 专 院 校生 物 系 学 生 的 科普 读物 。 仿生 学 的 内 容 遍 及 各 个 学 科 领 域 ， 资 料 丰富 而 分 散 ， 由 于 笔者 水 平 所 限 ， 在 引用 资料 和 编 汇 工作 中 车 有 不 妥 和 错误 之 处 。 故 希 读者 批评 指正 。 马 祖 礼 1979.1, 编 者 的 is 仿生 学 是 生物 科学 和 技术 科学 之 韶 的 一 门 边缘 科学 ， 诈 生 于 二 十 世纪 六 十 年 代 初 期 ， 至 今 虽然 仅 有 二 十 年 的 历史 ， 但 是 ， 已 以 强大 的 生命 活力 渗透 到 各 个 学 科 领 域 。 在 现代 科 学 技术 发 展 的 历程 中 ， 仿 生 学 为 工程 技术 提供 了 新 颖 、 精 妃 的 生物 设计 蓝图 发挥 了 独特 的 作用 。 尤 其 在 近 十 年 来 ， 仿 生 学 的 发 展 非 常 迅 速 ， 科 研 成 果 五 光 十 色 ， 累 累 可 观 。 在 我 国 为 实现 四 个 现代 化 而 努力 奋斗 的 历史 任务 中 ， 仿 生 学 也 必 将 发 挥 重要 的 作用 。《 生 物 与 仿生 ?这 本 小 册子 并 不 涉及 仿生 学 的 具体 内 容 ， 而 是 以 仿生 学 在 某 些 科学 领域 内 ， 已 经 取得 的 若干 科研 成 果 为 例 ， 向 读者 介绍 仿生 学 的 发 生发 展 概况 。 为 便于 读者 了 解 各 项 仿生 成 果 的 由 来 ， 本 文 也 介绍 了 一 些 与 仿生 成 果 有 关 的 知识 ， 例 如 生物 原型 的 结构 与 功能 、 生 物体 内 的 物理 、 化 学 现象 、 实 现 功能 的 机 理 、 涉 及 其 他 学 科 的 基 本 知识 和 资料 以 及 仿生 学 的 设想 等 。 这 本 小 册子 可 供 中 学 教 师 教 学 参考 ， 也 可 作为 大 专 院 校 生物 系 学 生 的 科普 读物 。 仿生 学 的 内 容 遍 及 各 个 学 科 领 域 ， 资 料 丰富 而 分 散 ， 由 于 笔者 水 平 所 限 ， 在 引用 资料 和 编 汇 工作 中 车 有 不 妥 和 错误 之 处 故 希 读者 批评 指正 。 马 祖 礼 1979.1, M SRRKI- OES SAAR SS SHRBATORNAEAE CAPT te gh We a ane Se TH RET HHAHALAE RD y @ AP TERRA ATR ks KERR STREP. MESS PAPA RES CRO WREAK EH LA & CE MED oT KRL5 ARP ERAEAS SONA Perreer rere (PK-THAKAA FERRERS «AEE SERRE | BR RSEHAAK Dade wt cee SEPA E ERAS “PRU SLOR poetics fh HANS HH ME RSLS REM ee ee tee a RE x oe POL, ae = ‘ Eerie (一 ) 人 类 仿生 由 来 已 入 + (=) BATRA REE ee CHL) GRAEAERUDEFE TT We GPA FE cov cee cee cee cen sev cccanecveecs Ty HEF BK FE FE, ee (=) HAM ……: a I an ects pen nes009 omstir stents oxp.oaeen eny-taee on ee 二 (一 》 神 经 元 的 模拟 … (二 ) Bee Se … (=) 脑 入 拟 与 大 工 智能 ee ES LETTE RT (=) AWA EPA AE BR BEE REMY BDL seen (=) 生物 体内 能 量 转 换 的 模拟 ooeeooeoeessesesoeseseseeses 五 、 农 业 生 产 > ea (—) 光电 捕 鱼 … (=) 诱 虫 除 害 eeeeeeeeeeeeee eve (三 ) HFA (Pg) i Fi el A 000 000 00s 600.050 006 coc ccnces ve sep ep eeN ann 428 ) *- ( 98 ) … (103) -- (103 ) eeeece (113) eee (1199 2 174 7 A) 也 At cH 二 1 证 Bo cs 和 一 、 仿 生 学 的 由 来 污 发 展 仿生 学 是 模仿 生物 建造 技术 装置 的 科学 。 它 是 在 本 世纪 中 期 才 出 现 的 一 门 新 兴 的 边缘 科学 。 仿 生 学 研究 生物 体 的 结 构 和 功能 的 工作 原理 ， 并 将 这 些 原理 移植 于 工程 技术 之 中 ， 发 明 性 能 优异 的 仪器 、 装 置 和 机 器 ， 创 造 新 技术 。- 从 仿生 学 HE, REVERIE AA, EMRE 累累 可 观 5 仿生 学 的 问世 开辟 了 独特 的 技术 发 展 道路 ， 这 就 是 向 生物 看 索取 设计 蓝图 的 道路 ， 它 大 大 地 开拓 了 人 们 的 眼 界 ， 显 示 了 极 大 的 生命 力 。 《一 ) 人 类 仿生 由 来 已 扩 自古 以 来 ,自然界 就 是 人 类 各 种 技术 思想 、 工 程 原理 及 重大 发 明 的 源泉 。 种 类 繁多 的 生物 界 经 过 长 期 的 进化 过 程 ， 使 它们 能 适应 环境 的 变化 ， 从 而 得 到 生存 和 发 展 。 劳 动 创造 了 人 类 。 人 类 以 自己 直立 的 身躯 、 能 劳动 的 双手 、 交 流 情感 和 思想 的 语言 ， 在 长 期 的 生产 实践 中 ， 促 使 神经 系统 尤其 是 大 脑 获得 高 度 发 达 。 因 此 ， 人 类 以 无 与 伦比 的 能 力 和 智慧 远 远 超过 生物 界 的 所 有 类 群 。 人 类 通过 劳动 运用 聪明 的 才智 和 灵巧 的 双手 制造 工具 ， 从 而 在 自然 界 里 获得 更 天 的 自由 。 人 类 的 智慧 不 仅仅 停留 在 观察 和 认识 生物 界 ， 而 且 还 运用 人 类 所 独 有 的 思维 和 设计 能 力 模仿 生物 ， 通 过 创造 性 的 劳动 增加 自己 的 本 领 。 鱼 儿 在 水 中 有 自由 来 去 的 本 领 ， 人 们 就 模仿 鱼 1 类 的 形体 造船 ， 以 木 浆 仿 鳍 。 相 传 早 在 大 各 时 期 ， 我 国 击 代 劳动 人 民 观 察 色 在 水 中 用 尾巴 的 摇摆 而 游 动 、 转 索 ， 他 科 就 在 船尾 上 架 置 木 浆 。 通 过 反复 的 观察 、 模 仿 和 实践 ， 逐 渐 改 RAB AIRE, MPH, 掌握 了 使 船 转弯 的 手段 。 这 样 « 0 = 一 六 aT Lae ey W WS Al 2%, Mgmnt. 尾 直 BNI (BE Ze we ae OTL rh, PB RELEAS Rit RS 鲁班 是 我 国 春秋 战 RICH MATE, 48 ARTE BER Gn Ol, 2. Gi, BEAEH 他 发 明 创造 的 。 有 一 次 SOE LU, SRR 2 ea FSR. MMB HF = EAR LA bt se MT HEAR HE 0 SILBEBAES PE KP. CHIE IRS A Aves “nim eZ, HARP .”KMAMN ES He Bil S ILM MMGACHEMESH. 早 在 四 再 多 年 前 ， 意大利 大 利 奥 HBS © xk © B24} (Leonardo da Vinci，1452 一 1519) 和 他 — HDF SAHARA, 研究 鸟 的 身体 结构 并 计 真 观 ESA ET. Bebb AM ile TARP RPL, AEA LB 架 大 造 飞 行 器 。 下 以 业 这 些 模 仿生 物 结构 和 功能 的 发 明 与 尝试 ， 可 以 认为 AY HABE o (=) RAR Meat th 二 炎 类 仿生 的 行为 虽然 早 有 雏 型 站 但 是 在 二 十 世纪 四 十 年 代 以 前 ， 人 们 并 没有 自觉 地 把 生物 作为 设计 思想 和 创造 发 明 的 源 永 二 科学 家 对 于 生物 学 的 研究 也 只 停留 在 描 叙 生物 体 精 巧 的 结 梅 和 党 美的 功能 上 。 而 工程 技术 人 员 更 多 的 依赖 他 们 早 越 的 智慧 、 辛 辛苦 苦 的 努力 ， 进 行 着 人 工 发 明 。 他 们 很 少 有 意识 地 向 生物 界 学 习 。 但 是 ， 以 下 几 个 事实 可 以 说 明 ， 人 们 在 技术 上 所 遇 到 的 某 些 难题 ， 生 物 界 早 在 千 百 万 年 前 就 曾 出 现 交 而 且 在 进化 过 程 中 已 经 解决 了 ， 然 而 大 类 却 没 有 从 生 物 界 得 到 应 有 的 启示 。 在 第 一 次 世界 天 战 时 期 。 出 于 军事 上 的 需要 ,, 为 使 舰艇 在 水 下 隐 巩 航行 而 制造 潜水 艇 。 当 工程 技术 人 员 在 设计 原始 的 潜艇 时 ， 是 先 用 石 块 或 铅 块 装 在 潜艇 上 使 它 下 沉 ， 如 果 需 要 升 至 水 面 ， 就 将 携带 的 重 物 扔 掉 ， 使 艇 身 回 到 水 面 来 。 以 3 后 经 过 改进 ， 在 潜艇 上 采用 浮 箱 交替 充 水 和 排水 的 方 东 来 改 变 湾 艇 的 重量 。 此 后 又 改进 成 压 载 水 舱 ， 在 水 舱 的 上 部 设 放 气 阅 ， 下 面 设 注 水 累 ， 当 水 舱 灌 满 海水 时 ， 艇 向 重量 增加 重 可 游人 水 中 。 需 要 紧急 下 潜 时 ， 还 有 速 潜 水 和 能 ， 待 艇 身 潜 信 水中 后 ， 再 把 速 玉 水 舱 内 的 海水 排出 :如果 一 部 分 压 载 水 通 充 水 ， 另 部 分 空 着 ， 潜 艇 便 可 处 于 半 潜 状态 。 淤 艇 要 起 浮 时 ， 将 压缩 空气 通 入 水 舱 ， 排 海水 , 艇 身 重量 减轻 后 就 可 以 上 浮 。 如 此 优越 的 机 械 装 置 实现 了 潜艇 的 自由 沉浮 。 但 是 后 来 发 现 鱼 类 的 沉浮 系统 比 人 们 的 发 明 要 简单 的 多 。 鱼 的 沉浮 系统 仅 仅 是 充气 的 鱼 镖 。 鱼 并 不 受 肌肉 的 控制 ， 而 是 依靠 分 泌 氧 气 进入 鳃 或 是 重新 吸收 全 内 一 部 分 氧气 来 调节 鱼 鳃 中 和 气体 含 量 ， 促 使 鱼 体 自由 沉浮 。 然 而 鱼 类 如 此 巧妙 的 沉浮 系统 ， 对 于 潜艇 设计 师 的 启发 和 帮助 已 经 为 时 过 迟 了 。 声音 是 人 们 生活 中 不 可 缺少 的 要 素 。 通 过 语言 大 们 交流 5 Wet 加 -se -Woanl- 8 mm amansn © anes” RPR 各 FAS = 7K WES fa RR TE 思想 和 情感 ， 优 美的 音乐 使 人 们 获得 艺术 的 享受 ， 工 程 技术 大 员 还 把 声学 系统 应 用 在 工业 生产 和 军事 技术 中 ， 成 为 颇 为 重要 的 信息 之 一 。 自 从 六 水 艇 问世 之 后 ， 随 之 而 来 的 就 是 水 面 的 舰只 如 何 探查 溢 艇 的 位 置 以 防 偷袭 , 而 潜艇 沉 人 水 中 后 ， 也 须 准 确 测定 敌 船 方位 和 距离 以 利 攻击 。 因 此 ， 在 第 一 次 世 界 大 战 期 间 ， 在 海洋 上 ， 水 面 与 水 中 敌对 双方 的 斗争 采用 了 各 种 手段 。 海 军工 程 师 们 也 利用 声学 系统 作为 一 个 重要 的 侦 RPK, 首先 采用 的 是 水 听 器 ， 也 称 噪 音 测 向 仪 ， 通 过 听 测 敌 舰 航行 中 所 发 出 的 噪音 来 发 现 敌 舰 。 因 为 只 要 周围 水 域 中 有 敌 舰 在 航行 ， 机 器 与 螺旋 浆 推 进 器 便 会 发 出 噪音 ， 通 过 水 昕 器 就 能 听 到 ， 能 及 时 发 现 敌 人 。 但 是 那 时 的 水 听 器 很 不 完 善 ; 一 般 只 是 收 到 本 身 舰 只 产生 的 噪声 ， 要 侦 听 敌 溢 艇 ， 必 须 减 慢 舰 只 航行 速度 甚至 完全 停车 才能 分 辩 豆 艇 的 噪音 二 这 样 很 不 利于 战斗 行动 。 不 久 法 国 物 理学 家 郎 之 万 (Paul Langcrin，1872 一 1946) 研 究 成 功利 用 超声 波 反射 的 性 质 来 探测 水 下 舰艇 。 用 一 个 超声 波 发 射 器 , 癌 水 中 发 出 超声 波 后 ， 如 果 遇 到 目标 便 反 射 回来 ， 由 接收 器 收 到 。 根 据 接 收回 波 的 时 间 间 隔 和 方位 ， 便 可 测定 出 目标 的 方位 和 距离 ， 这 就 是 所 谓 的 声 纳 系统 。 人 造 声 纳 系统 的 发 明 以 及 在 侦察 敌 方 潜水 艇 方面 获得 的 突出 成 果 ， 曾 使 大 们 为 之 赞叹 不 已 。 岂 不 知 远 在 WOR EMMA Za, We. AK “Re? FH 系统 运用 自如 了 。 生 物 在 漫长 的 年 代 里 就 是 生活 在 被 声音 包 围 的 自然 界 中 ， 它 们 利用 声音 寻 食 、 逃 避 敌 害 和 求偶 繁殖 。 因此 ， 声 音 是 生物 赖 以 生存 的 一 个 重要 信息 。 早 在 1793 年 意 KAA Mi Ae CSpallanzani) 发 现 蝙蝠 能 在 完全 黑暗 中 任意 飞行 ， 既 能 躲避 障碍 物 也 能 捕食 正在 飞行 中 的 昆虫 ， 3 ESE DMBE KAAR LADLE. HESSMADRM Aya, 它们 在 墨 障 中 则 寸步 难 行 了 。 MH ees, Bmx 赞 是 提出 了 一 个 使 人 咎 难以 接受 的 结论 忆 MRE AAR” 东西 第 一 次 世界 大 哉 结束 后 1920 年 哈 侣 NEHairtridgey 认为 蝙蝠 发 出 声音 信号 的 频率 超出 人 可 的 听觉 范围 页 并 提出 启 紧 对 目标 定位 的 方法 与 第 一 次 世界 大 哉 尉 郭 之 而 灿 发 明 的 ABE REEMA. wee, 上 哈 台 的 提示 着 未 被 天 们 重视 ， 而 且 王 程 师 们 对 于 妨 晤 具有 j 后 声 定位 久 鞠 技 ftv EDA. BB1938F RAF M SWS Me AR 可 以 昕 到 揭 音 频 范 国 为 6 二 20000 周 / 秒 Ta eH oe 可 达 2 万 一 20 万 周 / 秒 。 至 此 完全 证 实 蝙 晤 就 是 以 发 出 超声 波 来 定位 的 5 HARARE AMR MRA CA 所 帮助 可 。 < o Ht? NR Bt lt AERA AGES te SAY Ie Fe ia i’ eS SP SMe cp epee AoE ees eS WS sk OPRAH SR KMS —F CRORES 后 ， MNABAUKIM RS HRM, AFE1I0 HF LT CAL, EAKLAT CERAM HB. PAB BE, SARA VANS PLAYS HEE. MAE SUL A BH, WAT ARM PRAT HE. (LE ERAT Hl ET HR EA ARAL CPLA, BELEN ET ON RR RAD DEP MGM. YL CAI, LER AE A BE ae, RHR, MRHGREA, RECN, BR RMB, WSR kK KARIM RAS KOLA ERT RAORARRHRAS HGRA, Stk aw BDA RB RI HA HE. PALE see ZK MRE, KHRCASHROWRT. TR B HERE HILe aR EER T. BSH BS hs Dw RAR, Bee, B 7 RE RA LR OT LD RES Ae ER AEE 一 ity 发 现在 每 个 起 膀 前 缘 的 二 方 So 都 有 一 块 深 色 的 角质 加 厚 区 一 一 RAR RAGE. aR de IR & >) BY KARA BRBES 实验 THE FY TE eR J SE 00) | ORF RSSSUBEBR T Baie Rose BF) 二 这 与 设计 师 高 超 的 发 明 :何等 相 | SSF Who BERNE HHT TSE TAR, ee AS Siti neh RRR MUAY RAR TR 7 决 额 振 的 设计 思想 ， 就 可 以 避免 长 期 的 探索 和 大 员 的 牺 性 了 。 面 对 晴 晓 翅膀 的 愤 眼 ，: 飞 机 设计 师 大 有 相识 恨 晚 之 感 ! 以 上 这 三 个 事例 发 人 深 省 ， 使 大 但 受到 也 很 夫 的 启发 ， 早 在 地 球 上 出 现 人 类 之 前 , 各 种 生物 已 经 在 大 自然 中 生活 了 亿 万 年 ， 在 它们 为 生存 而 斗争 的 长 期 进化 过 程 中 获得 了 与 大 自然 相 适应 的 能 力 。 大 们 在 生产 斗争 和 发 展 技术 申 遇 到 不 少 的 难题 ， 而 生物 界 则 早 以 人 们 还 不 十 分 清楚 的 方式 完善 地 解决 子 。 生 物 学 的 研究 可 以 说 明 ， 生 物 在 进化 过 程 中 形成 的 极其 精确 和 完善 的 机 制 ， 使 它们 具备 了 适应 内 外 环境 变化 的 能 力 。 表 现在 它们 有 经 济 而 精巧 的 结构 ,可靠 而 协调 的 功能 ， 最 高 效率 地 使 用 能 量 。 生 物 界 具有 许多 卓有成效 的 本 领头 如 体内 的 生物 合成 ， 能 量 转换 ， 信 息 的 接受 和 传递 羡 对 外 界 的 识别 、 导 航 、 定 向 、 计 算 和 综合 等 ;| 显示 出 许多 机 器 所 不 可 比拟 的 优越 之 处 * 生物 的 小 巧 。 灵 敏 * 快速 % 高 效 = ALARA 抗 干扰 等 特性 实在 令 人 惊叹 不 已 。 过 去 ， 工 程 技术 人 员 发 展 技术 的 遭 路 基本 上 是 根据 当时 科学 技术 水 平 提供 的 理论 ， 发 挥 力所能及 的 生产 条 件 ， 选 择 各 种 人 造 装置 的 优点 ， 进 行 逻辑 的 综合 ,以 创造 和 发 展 新 工 艺 ， 新 机 器 。 但 是 ， 大 们 越 是 希望 新 的 技术 装置 有 完善 的 功 效 ， 装 置 的 结构 也 就 越 加 复杂 和 庞大 ， 操 作 也 越 加 困难 。 而 是 复杂 的 结构 使 组 成 的 元 件 极其 众多 ， 如 果 少 数 甚 至 一 个 元 件 药 损坏 就 会 使 整个 装置 停止 工作 ， 使 效率 和 可 靠 性 都 受到 AMR. 这些 问题 的 产生 也 是 如 前 所 述 在 技术 发 展 道路 于 是 难免 的 。 到 本 世纪 中 期 ， 科 学 技术 的 发 展 和 生产 实践 的 Ek, 期 待 着 可 靠 、 灵活、 高 效 和 经 济 的 技术 设备 ， 这 就 需 要 寻求 新 的 系统 设计 原理 和 开辟 新 的 技术 发 展 途径 。 回 顾 生 8 物 界 对 大 们 有 益 的 启示 ， 火 们 悟 出 一 个 新 的 努力 方向 。 生 物 界 长 秋 以 来 所 走 过 的 道路 ， 已 经 获得 了 一 些 工程 技术 人 员 的 重视 二 他 们 把 注意 力 转向 生物 系统 ， 踏 上 模仿 生物 的 道路 。 当然 大 类 绝 不 会 愚蠢 地 重 踏 生物 进化 的 漫长 历程 ， 而 是 以 科 学 技术 为 手段 ， 发 气 出 生物 界 中 蕴藏 着 的 极其 巧妙 的 工程 技 术 原 理 ， 应 用 到 为 人 类 造福 的 实践 之 中 。 G 三 ) -连接 生物 与 技术 的 桥梁 AMR (lames Watt,1736 一 1819) 在 1782 年 发 明 蒸 汽机 以 后 ， 大 们 在 生产 斗争 中 获得 了 强大 的 动力 。 在 工业 技 术 方 面 基本 上 解决 了 能 量 的 转换 、 控 制 和 利用 等 问题 ， 从 而 引起 子 第 一 次 工业 革命 ， 各 式 各 样 的 机 器 如 雨后春笋 般 的 出 现 ， 工 业 技 术 的 发 展 极 大 地 扩大 和 增进 了 人 的 体能 ， 使 人 们 从 繁重 的 体力 劳动 中 解放 出 来 。 随 着 技术 的 发 展 ， 人 类 在 灵 汽 时 代 之 后 又 经 历 子 电气 时 代 并 癌 着 自动 化 时 代 和 迈进 。 -人们 从 制造 简单 的 机 器 发 展 到 制造 复杂 的 自动 控制 装 置 久 稻 累 了 极其 丰富 的 知识 和 宝贵 的 经 验 。 人 们 在 生产 斗争 和 科学 实验 中 所 表现 出 的 巨大 智慧 和 能 力 发 生 了 质 的 飞跃 。 ” 工 十 世纪 四 十 年 代 电 子 计 算 机 的 问世 ， 更 是 给 人 类 科学 技术 的 宝库 增加 了 可 贵 的 财富 ， 它 以 可 靠 和 高 效 的 本 领 处 理 着 大 们 手头 上 数 以 万 计 的 各 种 信息 ， 使 大 们 从 汪洋 大 海 般 的 数字 、 和 述 息 中 解放 出 来 。 使 用 计算 机 和 自动 装置 可 以 使 大 们 在 繁杂 的 生产 工序 面前 变 得 轻松 和 省 力 ， 它 们 准确 、 高 速 的 控制 着 生产 程序 ， 使 产品 规格 精确 。 但 是 ， 自 动 控制 装置 是 按照 火 制 定 的 固定 程序 进行 工作 的 ， 这 就 使 它 的 控制 能 力 具 有 很 大 的 局 限 性 。 自 动 装置 对 外 界 缺 乏 自 动 分 析 和 进行 灵活 9 反应 的 能 力 ， 如 果 发 生 任 何 意外 的 情况 忆 和 起动 装置 就 要 停 三 Lk, 甚至 以 发 生 事故 而 告终 .这 就 是 自动 装置 亦 苇 所 具有 的 严重 弱点 小 要 克服 这 种 弱点 导 无 非 是 使 桃 器 各 部 件 之 间 霹 桃 器 与 环境 之 间 能 够 “通讯 ”。 也 就 是 使 自动 控制 装置 共有 通 应 内 外 环境 变化 的 能 力 。 要 解决 这 一 课题 ， 在 玉 程 技术 申 ， 就 要 解决 如 何 接受 、 转 换 曙 利用 和 控制 信息 的 间 题 。 因 此 ， 信息 的 利用 和 控制 就 成 为 工业 技术 发 展 的 一 个 主要 矛盾 。 如 何 解决 这 个 矛盾 呢 ? 生物 界 给 人 类 提供 了 有 益 的 启示 。 人 类 要 从 生物 系统 中 获得 启示 ， Ais ED 技术 装置 是 否 存在 有 共同 的 特性 。: 1940 年 出 现 调 节理 论 ,， 将 生物 与 机 器 在 一 般 意 义 上 进行 对 比 。 到 1944 年 ;1 一 些 科 学 家 已 经 明确 了 在 机 器 和 生物 体内 ， 在 通讯 、 自 动 控 制 与 统计 力 Lika aan Asiiemtieatadllbne diessnoegianlehiniiiontercomme hm 1947 年 一 个 新 的 科学 一 一 控制 论 产生 让: “HITE? CCy= bernefics) 是 从 希腊 文 而 来 ,原意 是 “掌舵 炎 立 FRE il, 论 的 创始 人 之 一 维 纳 (Norberf Wiener, 1894~ 196424 F 控制 论 的 定义 是 : “SPE MLAS Pde Hl A A” 学 。: 昌 然 这 个 定义 过 于 简单 ， 妇 仅 是 维 纳 关 于 控制 话 经 典 菏 作 的 副题 ,但 它 sake smniahninhane Misi aps 联系 在 一 起 了 。 ,控制 论 的 基本 观点 认为 ; 动物 〈 尤 其 是 三 机 器 | Cla 括 各 种 控制 .通讯 、 计 算 的 自动 化 装置 ) ZAHA eH 性 ;也 就 是 在 它们 具备 的 控制 系统 内 有 某 些 共同 的 规律 .5 疫 : 据 控制 论 研 究 表明 ， 各 种 控制 系统 的 控制 过 程 都 包含 有 信息 的 传递 s 变换 与 加 王 过 程 。 为 保持 控制 系统 工作 正常 》j 忆 然 取决 于 信息 运行 过 程 的 正常 ;所谓 控制 系统 是 指 由 被 控制 的 ' 10 TRL AAETE, 部件、 线路 有 机 地 结合 成 有 一 定 控制 TRO, ROMA KE, Bl AS Bi EOD RIA. RAS tA HI AE i OL A ie ASE =| 2 See Rae a OFS AS AY 反馈 联系 控制 装置 a Beeches eS at 给 出 信号 < 一 效应 元 件 < 一 联系 线路 ne aR mM ROR 受 器 一 > 向 中 联系 反馈 联系 “让 枢 神 经 系统 Ki . ae -到 应 < 一 效 : 应 器 < 一 离 中 联系 各 志 央 上 对比 可 以 看 出 :机 器 与 生物 体内 的 控制 系统 有 许多 丰 同 世 外 52 平 是 大 何 对 生物 自动 控制 系统 产生 极 兴 的 兴 趣 兴 荐 蛙 滋 用 物理 学 的 、 数 学 的 甚至 是 技术 的 模型 对 生物 系 统 开 展 进 一 步 的 研究 。 因 此 ， 控 制 论 成 为 联系 生物 学 与 工程 技术 指 理论 基础 必 成 为 沟通 构成 生物 系统 与 技术 系统 连接 的 PB Ye CNH! 3 Eps FUE ad a EA BB Eh. 5 YE I 性 可 以 表现 在 对 生物 体 研究 的 不 同 水 平 上 。 由 简单 的 单 细胞 到 复 帮 的 器 冲 系统 《并 神经 系统 ) 都 存在 着 各 种 调节 和 自动 控制 的 生理 过 程 。 我 们 可 以 把 生物 体 看 成 是 一 种 具有 特殊 能 11 力 的 机 器 ， 和 其 他 机 器 的 不 同 就 在 于 生物 体 还 有 适应 外 界 环 境 和 自我 繁殖 的 能 力 。 也 可 以 把 生物 体 比 作 一 个 自动 化 的 工 厂 ， 它 的 各 项 功能 都 遵循 着 力学 的 定律 。 它 的 各 种 结构 协调 地 进行 工作 。 它 们 能 对 一 定 的 信号 和 刺激 作出 定量 的 反应 ， 而 且 也 象 自 动 控 制 装 置 一 样 ， 借 助 于 专门 的 反馈 联系 组 成 自 动 控制 的 方式 进行 自我 调节 。 例 如 我 们 身体 内 恒定 的 体温 、 正常 的 血压 、 正 常 的 血糖 浓度 等 都 是 机 体内 复杂 的 自动 控制 系统 进行 调节 的 结果 。 控 制 论 的 产生 和 发 展 ， 为 生物 系统 与 技术 系统 的 连接 架 起 了 桥梁 ， 使 许多 工程 技术 人 员 都 自觉 地 向 生物 系统 去 寻求 新 的 设计 思想 和 原理 。 于 是 出 现 了 这 样 一 个 趋势 ， 工 程 师 们 为 了 和 生物 学 家 在 共同 合作 的 工程 技术 项 目 中 获得 成 果 ， 就 主动 学 习 生 物 科 学 知识 。 (四 ) 仿生 学 的 诞生 随 着 生产 的 需要 和 科学 技术 的 发 展 ， 从 五 十 年 代 以 来 ， 人 们 已 经 认识 到 生物 系统 是 开辟 新 技术 的 主要 途径 之 一 。 自 觉 地 把 生物 界 作为 各 种 技术 思想 、 设 计 原 理 和 创造 发 明 的 源 泉 。 大 们 用 化 学 、 物 理学 、 数 学 以 及 技术 模型 对 生物 系统 开 展 深 入 的 研究 ， 促 进 了 生物 学 的 极 大 发 展 ,对 生物 体内 功能 栅 理 的 研究 也 取得 了 迅速 的 进展 。 此 时 模仿 生物 不 再 是 引 大 入 胜 的 幻想 ， 而 成 了 可 以 做 到 的 事实 。 生 物 学 家 和 玉 程 师 的 积极 合作 ， 开 始 将 从 生物 界 获得 的 知识 用 来 改善 旧 的 或 创造 新 的 工程 技术 设备 。 生 物 学 开始 跨 入 各 行 各 业 技 术 划 新 和 技 术 革 命 的 行列 ， 而 且 首先 在 自动 控制 、 航 空 、 航 海 等 军事 部 门 取得 了 成 功 。 于 是 生物 学 和 工程 技术 科学 结合 在 一 起 ， 五 相 渗透 孕育 出 一 门 新 兴 的 科学 一 仿生 学 。 回 顾 仿生 学 从 孚 12 青 到 诞生 和 发 展 的 全 部 过 程 就 正如 恩格斯 所 指出 的 :“ 科 学 的 发 生 和 发 展 一 开始 就 是 由 生产 决定 的 .仿生 学 的 发 生 和 发 展 正 是 适应 生产 发 展 的 需要 ， 才 应 运 而 生 。 仿生 学 作为 一 门 独立 的 科学 ， 于 1960 年 9 月 正式 诞生 。 po SEE ZS ZS Je CE PRA PRIN AOS ESE 地 戴 通 (Dayton) BRT A—-KGEBAW. 会 议 讨论 的 中 心 议题 是 “分 析 生 Pn FA AS Bl EA HE Bs FB) AT is AY fs IL ABE HY it} LANG?” WBA Cack. Ellwood Steele) 为 新 兴 的 科 ere “Bionics”, KP FRA A MIC “Bion” 字 意 是 “生命 的 单位 >。 而 拉 于 字 : “Bios” 是 “生命 方式 ?的 意思 。 PB Mic” MRA ER” HRB. 因此 “Bionics” 意味 着 研究 生命 系统 的 功能 的 科学 ,1963 年 我 国 将 “Bionics? BH MER, HE “ics” 45 “Electronics” :电子 2) MPRA, ASR AERA “Biolo- gy? VED) 5 “Electronics” yj SOF, MOREA “生物 电子 学 所 是 不 恰当 的 。 斯 梯 尔 给 予 仿生 学 的 定义 为 “ 仿 和 匡 学 是 和 异 伪 电 物 有 系统 的 原理 来 建造 技术 系统 。 或 者 使 人 造 技 未 系统 其 有 或 类 似 平 生物 系统 特征 的 科学 .六 简 言 之 ;仿生 学 REA EDS. WOH: 仿生 学 是 研究 生物 系统 的 54). OR. Be. 能 量 转换 、 信 息 控制 等 各 种 优异 的 特 征 ; FRENMAARRAR, HRBBARKRRERES, 并 创造 鱼 新 的 工艺 过 程 \ ;建筑 构 型 、 自 动 化 装置 等 技术 系统 HRA EMAE. WEDS MARR, 仿生 学 属于 /应 用 De” 的 二 个 分 支 二 从 工程 技术 方面 来 看 ， 仿 生 学 是 根据 对 生 下 系 统 的 研究 为 设计 和 建造 新 的 技术 设备 提供 了 新 厌 理 续 新秀 靶 和 新 途径 册 仿 生 学 的 光荣 使 命 就 是 为 大 类 提供 最 13 USE. RIG. HL, Di Si, AA HR ee 3) eee 仿生 学 是 生物 学 、 LE HP 二 -全 的 二 门 新 兴 的 边缘 科学 。 第 一 届 仿 生 学 会 EE TORE 一 个 有 趣 而 形象 的 标志 :一 个 巨大 Ba ‘Ss, FORT) A RR aE I CAB) SPAS Bb ES HAR, 且 也 概 播 地 表达 了 仿生 学 的 研究 途径 ， ea te HEF HES RELA SH © NY HED RPE, JHE ERS. QURBUA oe 这 些 原理 去 设计 和 制造 新 的 技术 设备 5 HEF Ol) & © 的 主要 研究 方法 就 是 提出 模型 ,上 进行 模拟 。 Hee eee 研究 程序 大 致 有 以 下 三 个 阶段 : (Ae Bara 首先 是 对 生物 原型 的 研究 : Amare 出 ;的 技 : 术 问题 ， 选 择 性 的 研究 生物 体 的 某 些 结构 和 劲 能 ?在 此 基础 上 六 将 研究 所 得 的 生物 资料 予以 简化 , 吸 歇 对 救 求 村 求 有 益 的 内 容 ， 取 销 与 生产 技术 要 求 无 关 的 因素 守 得 到 一 售 生 物 模型 。- 第 二 阶段 是 将 生物 模型 提供 的 资料 进 奉 数学 分 Pt 并 使 其 内 在 的 联系 抽象 化 ;用 数学 的 语言 把 生物 模型 4 翻译 ? 成 有 一 般 意义 的 数学 模型 。 最 后 的 阶段 是 采用 电 陡 的 训 化 学 的 、 机 械 的 手段 ， 根 据 数 学 模型 制造 出 可 在 亚 程 技术 十 进行 实验 的 实物 模型 。 当 然 在 生物 模拟 的 过 程 中 让 不 仅仅 是 简单 的 仿生 ; 更 重要 的 是 在 仿 中 有 创新 。 经 过 实践 关 全 认识 一 到 再 实践 的 多 次 反复 才能 使 模拟 出 来 的 东西 越 来 越 符 知 生产 14 的 需要 sf 这样 模拟 的 结果 ,| 使 最 余 建成 的 机 器 设备 将 与 生物 原型 不 同 Ji 在 某 些 方面 黄 至 超过 原来 生物 模型 的 能 力 。 例 如 今天 的 飞机 在 许多 方面 都 超过 也 乌 类 的 飞行 能 力 ; 电 蚤 计算 桃 在 复杂 的 计算 中 要 比 大 的 解 题 能 力 迅速 而 可 靠 。 半 巨 仿生 学 的 基本 研究 方法 使 它 在 生物 学 的 研究 中 表现 出 一 全 罕 出 的 特点 闻 就 是 整体 性 从 仿生 学 的 角度 来 看 , 它 把 生物 体 看 成 是 十 个 能 与 内 外 环境 进行 联系 和 控制 的 复杂 系统 。 它 的 任务 就 是 要 研究 复杂 系统 内 各 部 分 之 间 的 相互 关系 以 及 整 个 丢 统 的 行为 和 状态 。 生物 最 基本 的 特性 就 是 生物 的 自我 更 新 和 自我 复制 它们 与 外 界 环 境 揭 关 系 是 密 不 可 分 的 。 生 物 从 环 阐 获得 物质 和 能 量 记 才 能 进行 生长 和 繁殖 。 生物 从 环境 中 接受 信息 ;不断 地 调整 和 综合 ; 未 有 适应 和 进化 。 长 期 的 进 化 过 程 使 生物 获得 结构 和 功能 的 统一 ， 局 部 与 整体 的 协调 统 一 小 仿生 学 要 研究 生物 体 对 外 界 刺激 《输入 信息 ) 引起 反应 《输出 信息 站 之 间 的 定量 关系 。 即 着 重 于 数量 关系 上 的 统一 ths AEF Bh.) 为 达 此 目的 六 采用 任何 局 部 的 分 析 方 法 都 不 能 获得 满意 的 效果 。 因 此 ,优生 党 的 研究 方法 必须 着 RES: 7 Pile 2 RSW Ie he AR Se lly Sh ha rH TTS AP, “CULL AG REI HUTA NE BE 各 行 各 业 来 研究 区 自 从 仿生 学 问世 以 来 的 三 十 年 内 ， 仿 生 学 的 研究 得 到 迅速 的 发 展 ， 而 且 取 得 了 很 大 的 成 果 。 就 其 研究 范围 可 包括 电子 仿生 、 机 械 仿生 、 建 筑 仿生 、 化 学 仿生 等 。 随 着 现代 工程 技术 的 发 展 、 学 科 分 支 繁 多 ， 在 仿生 学 中 相应 地 开展 对 口 的 技术 仿生 研究 。 例 如 : 航海 部 门 对 水 生动 物 运 动 的 流体 力学 的 研究 ， 航 天 部 门 对 乌 类 、 昆 虫 飞行 的 模拟 、 15 ee 动物 的 定位 与 导航 ;工程 建筑 对 生物 力学 的 模拟 :无线 昌 技 术 对 于 神经 细胞 、 感 觉 器 官 和 神经 网 络 的 模拟 ， 计算 机 技术 对 于 脑 的 模拟 以 及 大 工 智 能 的 研究 等 。 在 第 一 届 仿 生 学 会议 上 发 表 的 比较 典型 的 课题 有 :，“ 人 造 神 经 元 有 和 什 和 优 下 ? ® “设计 生物 计算 机 中 的 问题 ”,“ 用 机 器 识别 图 象 的 至 学 习 的 机 器 ”等 。 可 以 看 出 是 以 电子 仿生 的 研究 比较 广泛 罚 仿 年 学 的 研究 课题 多 集中 在 以 下 三 种 生物 原型 的 研究 ” 即 动物 指 感 觉 器 官 、 神 经 元 、 神 经 系统 的 整合 作用 。 以 后 在 桃 械 仿生 和 化 学 仿生 方面 也 随 之 开展 起 来 ， 近 些 年 来 又 出 现 新 的 分 支 ， 如 入 体 仿生 学 、 分 子 仿生 学 和 字 宙 仿生 学 等 ? 总 之 ， 仿 生 学 的 研究 内 容 ， 从 模拟 微观 世界 前 分 对 仿生 “23 PW AOE Th EE LR TASER. Se HOR IE RATE TSE RAS RAMA ML BE 透 的 新 时 代 ， 仿 生 学 通过 模拟 的 方法 把 对 生命 的 研究 和 生产 实践 结合 起 来 ， 同 时 对 生物 学 的 发 展 也 产 笛 子 极 关 将 推动 作 用 。 在 其 他 学 科 的 渗透 和 影响 下 ， 使 生物 科学 的 研究 在 方法 下 发 生子 根本 的 变革 。 在 内 容 上 也 从 描述 和 分 析 的 来 平 向 着 精确 和 定量 的 方向 深化 。 生 物 科 学 的 发 展 又 是 以 仿 康 学 为 渠 道 向 各 种 自然 科学 和 技术 科学 输送 宝贵 的 资料 和 和 帮 富 的 营 养 ， 加 速 科 学 的 发 展 。 因 此 ， 仿 生 学 的 科研 实践 显示 熙 元 限 Cpcaityidadniuimkanaiauc 大 的 贡献 。 76 1 二、 生命 的 火花 一 一 生物 电 生物 界 各 种 生命 活动 都 伴随 有 电 现 象 。 毫 不 夸张 的 说 ， 天 是 有 生命 活动 就 有 生物 电 。 生 物 电 是 生物 系统 内 一 种 普遍 的 现象 是 生命 活动 过 程 的 一 个 表现 。 电 变化 反映 着 生命 活 动 趾 某 些 物理 学 的 或 物理 化 学 的 变化 。 生 物 电 活动 与 机 体 的 生理 活动 相生 相 长 , 与 新 陈 代谢 密切 相 联系 ,一 旦 生命 停止， 电 现 象 也 就 消逝 了 ,因此 ,生物 电 现象 有 “生命 的 火花 ?之 称 。 《一 六 生物 电 的 发 现 人 类 在 很 早 以 前 就 观察 到 生物 电 现象 ， 在 埃及 第 五 王朝 (公元 前 2600 年 ) WEB THE Be RAM HBR. 元 前 300 多 年 ， 古 希腊 人 亚 里 士 多 德 (Aristotle ,公元 前 384 ~322) idee hep teres (Torpedo) AIA “Bh” Ve 用 ， 以 后 的 资料 陆续 记载 了 非洲 尼罗河 内 的 电 链 (了 lectric catfish) FIZ WH AB (Electric eel) 。 它 们 都 具有 发 电器 官 ， 产 生 的 电 脉冲 相当 大 ， 足 以 刺 痛 人 和 杀 死 小 动物 。 早 在 一 世纪 有 罗马 的 医生 就 建议 用 电 鳃 的 放电 来 治疗 痛风 、 头 痛 和 癫痫 。 在 1678 年 ， 荷 兰 的 生物 学 家 斯 威 莫 尔 登 Gan Swa- mmerdan) 用 峙 的 肌肉 作 实 验 ， 他 把 肌肉 放 在 玻璃 管内 ,用 一 根 银 丝 和 一 根 铀 棒 去 触及 肌肉 ， 可 以 引起 肌肉 的 收缩 活 动 ， 这 个 现象 并 没有 引起 人 们 的 注意 。 一 百 多 年 后 ， 意 大 利 HOB Ae AE BBA Re (Galvani) 重复 了 这 个 实验 ， 他 17 采用 蛙 的 神经 肌肉 来 研究 放电 现象 。 伽 伐 尼 在 蛙 的 后 肢 上 剥离 出 坐骨 神经 干 和 腓 肠 肌 ， 并 使 坐骨 神经 发 出 的 神经 支 与 腓 肠 肌 的 联系 完整 无 损 。 制 成 坐骨 神经 一 一 腓 肠 肌 标 本 ， 这 是 一 种 活体 标本 ; 当 它 离开 整体 后 的 一 些 时间 内 ， 还 可 以 保存 生理 活性 ， 如 果 和 刺激 坐骨 神经 就 可 以 引起 腓 肠 肌 的 收缩 。1786 年 ;: 伽 伐 尼 用 金属 导体 在 峙 的 腓 肠 肌 和 神经 之 间 建 立 一 个 通路 ， 肌 肉 就 发 生 颤 样式 的 收缩 活动 。 他 认为 在 肌肉 与 神经 上 带 有 相反 的 哎 荷 河面 外 加 的 金 属 导 体 只 不 过 是 将 神经 和 朋 肉 接 通 形成 了 回路 质 致 :并 在 1791 年 发 表 论 文 ， 宣 称 动 物 揭 组 织 可 以 产生 动物 电 吉 于 同时 代 的 意大利 物理 学 家 伏 打 《Yalta 和 了 现 伍 之 1827) 对 人 黎 伐 尼 的 实验 结果 提出 异议 ， 他 认为 由 于 个 伐 尼 实验 中 所 用 导体 的 金属 属性 不 同 ， 两 种 不 同 的 金属 相 接触 就 可 以 产生 患 位 差 。 神经 肌肉 上 的 组 织 液 是 含有 虑 介质 的 ， A 此 ， 用 金属 与 组 织 该 接触 时 就 产生 芳 BU Ae Ph REED Tem 抖 现象 。 伏 打 与 伽 伐 尼 的 钉 论 促使 他 们 各 自 进行 进一步 实验 ,来 验证 自己 的 论 点 正确 。 伏 打 采 用 一 组 铜板 和 一 组 和 欠 板 ， 中 间 用 浸 有 盐水 的 呢绒 相隔 开 ; 由 于 不 同 的 金属 与 电介质 相 接触 而 产 Paz 世界 上 第 一 个 直 | AHH, PDE THRESH 流 电池 一 一 估 打 “” 直流 电 字 (图 7 ) RH “RT Ho 电池 伽 伐 尼 舍 去 金属 作为 通路 ,他 用 18 一 神经 肌 替 称 末 上 的 神经 放 在 另 一 个 肌肉 标本 的 损伤 处 《图 8 ) ,结果 引起 第 二 个 神经 肌肉 标本 上 的 山内 发 生 收 缩 现象 即 发 现 了 “无 金属 接 乔 收缩 > 有 力 地 证 明了 生物 电 的 存在 。 神经 wpa Eyes ms ER 因此 二 可 以 说 大 类 关于 生物 电 现象 的 系统 研究 就 是 起 源 于 HN RIE GAR AT BDA at Fe HE 而 且 在 1820 年 以 前 *- Bibi He LER 未 发 明之 前 交 葛 理学 家 也 常用 蛙 的 神经 骨肉 标本 来 代替 电流 讨 全 以 主 争论 揭 间 题 上 共有 在 制造 出 合适 的 电 测 量 仪 器 后 才能 ia. 18207 RBAFAIMESRBAA CNobili) 制 出 了 第 一 Swe, 并 用 此 证 明子 肌肉 电 访 的 存在 。1845 年 麦 狄 西 SNMatteteci 读 用 两 仿 硅 的 坐骨 神经 一 一 腓 肠 肌 标 本 进行 实 验 芭 他 将 第 二 个 标本 的 神经 搭 放 在 第 一 个 标本 的 肌肉 上 (图 9) 5 当 柬 激 第 一 个 标本 的 神经 时 ， 不 仅 第 一 个 标本 的 肌肉 发 EWC, 第 三 人 尔 标本 的 肌肉 也 会 发 生 收 缩 。 实 验 说 明 第 一 称 赤 的 肌肉 在 收 弦 时 产生 的 电 流 对 第 三 个 标本 的 神经 产生 了 图 9 “者 狄 西 实验 刺激 作用 所 致 。 此 后 ， 麦 狄 西 与 杜 波 伊 斯 - 雷 营 德 (DuBois -Reymond) 将 电流 计 的 一 端 与 正常 肌肉 的 表面 相 接触 ， 另 一 端 与 肌肉 的 切口 处 相 接触 ， 就 有 电流 产生 ， 肌 肉 正 常 部 位 的 表面 为 正 、 切 口 处 为 负 ， 证 明了 肌肉 内 外 之 间 存 在 电势 差 。 杜 波 伊 斯 - 雷 蒙 德 进一步 的 工作 ， 确 定 了 生物 电 有 两 种 基本 形式 一 一 静 息 电位 与 动作 电位 。 于 是 ， 伽 伐 尼 与 伏 打 的 争论 就 此 结束 ， 并 由 此 诞生 了 一 门 独立 的 学 科 一 一 电 生 理 生物 体 的 电 现象 是 生命 过 程 中 的 一 种 表现 是 生理 活动 中 的 电 现象 。 作 为 一 种 生理 现象 ， 它 是 生理 学 研究 对 象 的 一 部 分 。 而 作为 生物 体内 所 产生 的 一 种 物理 现象 来 谤 上 它 又 是 生物 物理 学 研究 对 象 的 一 部 分 。 因 此 电 生 理学 是 生理 学 和 生 物 物理 学 之 间 的 一 门 边 缘 科 学 。 它 的 任务 是 研究 生物 电 活动 的 特性 、 规 律 、 产 生 的 机 制 以 及 与 电 变化 相 适 应 的 生理 学 和 物理 化 学 基础 。 最 终 目 的 是 揭露 生命 活动 的 奥秘 。 此 外 》， 电 生理 学 也 是 一 种 研究 方法 ， 在 目 然 界 中 高 等 哺乳 动物 具有 最 完善 的 调节 系统 ， 其 中 神经 系统 又 起 主导 作用 。 利 用 神经 系 统 活 动 时 所 产生 的 电 变 化 作为 指标 ， 研 究 神经 系统 的 活动 规 律 ， 分 析 神 经 冲动 的 传 寻 途径 ， 尤 其 是 研究 大 脑 电 活动 的 本 质 、 信 息 的 传递 与 综合 的 机 能 等 ， 对 于 生物 控制 论 的 发 展 、 人 工 模拟 脑 、 人 工 智 能 的 研究 ， 将 在 理论 和 实践 上 都 有 极 重 电 生 理学 的 发 展 史 与 电子 学 及 仪器 设备 的 发 明 创造 有 密 切 关 系 ， 二 十 世纪 初期 ， 阴 极 射线 示波器 和 电子 管 放 大 设备 的 出 现 ， 基 本 上 解决 了 生物 组 织 中 微小 而 快速 电 变 化 的 记录 问题 。 此 后 随 着 微 电 极 技术 的 使 用 ， 使 单个 神经 细胞 电话 动 20 的 研究 成 为 可 能 寺 因 而 有 力 地 推动 子 电 生理 学 的 迅速 发 展 ; (=) 车 遍 的 生物 电 现 象 ”动物 界 的 电 现象 。 电 子 仪 器 的 大 量 铺 现 和 电 生 理学 的 发 展 寺 使 人 们 认识 到 生物 界 普遍 存在 电 现象 。 动 物 电 的 发 现 和 研究 ;首先 是 由 伽 伐 尼 在 蛙 的 骨骼 肌 上 进行 的 .此 后 采用 电流 计 进 行 测量 时 发 现 ,如果 把 电流 计 的 两 个 电极 都 放 在 肌肉 的 表面 时 放电 访 计 的 指针 并 不 偏转 ， 说 明 完整 的 肌肉 表面 上 各 点 间 的 电位 相等 5 ;车 将 其 中 一 个 电极 插 人 肌肉 内 ， 电 流 计 的 指针 即刻 发 生 偏转 过 肌 膜 内 为 负 、 肌 膜 外 为 正 。 测 量 结果 表 明 肌 肉 在 安静 状态 时 ,， 肌 膜 内 外 立 间 存在 一 个 电位 差 ， 天 们 称 它 为 静 息 电位 或 称 膜 电位 ) 如 果 把 一 个 电极 放 在 肌肉 的 完整 处 :: 另 二 个 电极 放 在 肌肉 的 损伤 处 ， 两 电极 之 间 也 存在 电位 差 ， 称 为 损伤 电 位 。 在 损伤 处 表现 为 负 伽 伐 尼 若 名 的 “无 金属 收缩 实验 ”就 是 由 于 把 神经 分 别 放 在 一 块 肌肉 的 完整 处 和 损伤 处 ， 神 经 在 肌肉 损伤 处 电位 刺 bees PRAM, Aik 3 eae 损伤 处 十 十 十 十 二 验 标 本 的 肌 肉 发 He 收 图 10 ” 静 息 电位 与 损伤 电位 缩 。 上 图 显示 静 息 电位 AVANT RL, BIG 下 图 显示 损伤 电位 采用 双 标 本 的 收缩 实验 21 电流 计 1 4 ¥ 4-444 4444444744444 说 明 : 当 肌 肉 发 生 兴奋 而 收缩 时 ， 肌 肉 指 表面 上 也 遇 现 了 电 变化 。 用 电位 计 检 查 ， 两 个 电极 都 放 在 肌肉 表面 ， 吏 息 时 两 个 电 航 间 无 电位 差 。 当 蚊 肉 兴 本 网 二 ee He 十 十 十 十 十 时 ， 电位 计 指 针 奴 瞬 然 偏转 ， 指 2 发生 兴 禁 的 部 位 为 贷 居 兴奋 部 2 Se ae writin? ttt ++ atk fic 5 Sei a2 CA 图 11 动作 电位 yeah (Rls oO GRRE, AN shm Nan Gils, “ETB iL 460~ 902 Rs Eh 2990~120 毫 做 。 继 神经 肌肉 电 现象 的 研究 忌 后 儿 又 相继 在 其 做 器官 和 和 组 织 中 也 发 现 电 现象 并 进行 了 测量 。 如 腺 体 忆 皮肤 六 骨 J 胶 道 、 肾 皮质 、 肝 细胞 、 癌 细胞 等 都 表现 有 电动 式 。 嫩 豚鼠 肝 细胞 为 36 毫 做 ， 猪 肝 细 胞 为 34 毫 优 ， 肾 皮质 细胞 为 35 训 做: 此 外 ;对 鸡 卵 的 研究 表明 ， 在 胚胎 的 背面 〈 负 ) 和 腹面 ( 正 ) 世间 存在 电 伺 差 ， 在 低 等 动物 如 蠕虫 和 软体 动物 的 卵 也 有 相 同 的 现象 ， 甚 至 在 原生 动物 和 和 车 毛虫 :变形 虫 :夜光 惠 中 也 可 测 出 电动势 。 夜 光 虫 细胞 内 外 前 击 丛 差 可 大 开元 50 毫 伏 。 潘 机 体内 的 电 现 象 激发 了 人 们 的 广泛 兴趣 ， 并 引起 生理 学 家 RBA A ABS IER, A JRE, BA, AMEMA ESS ieee. AA. jie ALD AS 播 记 和 分析 , LAME ARB, Pes AN BA 腾 畦 动 指 筷 理 与 满 理 变化 的 指标 。 ee 旭 AFL UAB AUTRE Oa Pa 187646 3 Hit (Marey) 发 现 心 脏 腕 缩 时 伴 有 电 摊 应。 这 种 电 上 友 应 的 复杂 CAARF A RUB RMR, Bley Re. DEE BEST LEE ROWS A LP 1 一 2 AOE, 190848 Fa BARK (Rinthoven) 发 明了 弦 线 电流 讲 》 促 进 了 对 心肌 动作 电流 的 深入 研究 ， 借 助 弱 线 电流 计 可 以 记录 整体 内 的 心 Eis), JK LRAT IZA, BARA ia ER MME T= SAME FED) «1 AF — sinha No eth 区 为 左手 -一 He fiz “ANTS halt BRET) AR “三 种 导 程 记录 出 的 心脏 电 活动 是 由 许多 波 组 成, 按 各 波 先后 出 现 的 顺 遍 分 别 命名 为 了 波 、,Q 波 、IR 波 。S 波 、 开 波 。 拓 噩 丢 列 的 电信 变化 称 为 心电图 (缩写 为 ECG)。 其 中 P 波 伐 表 左右 两 个 心房 肌 的 兴奋 过 程 % QRS 波 群 代表 左右 两 个 BUMBLE, :典型 的 QRS 包 括 三 个 相连 的 波形 ,第 一 全 阿 忆 的 波 为 Q 波 4 其 后 是 一 个 向 上 的 尖锐 型 站 波 为 R 波 ， 23 ov" rr R 波 之 后 又 是 一 个 anne -ETEFFTTT mF b's we. 4 oe ooo ORS MS A -Pr ea eas TL: a ai ae SRT Us eR , ey Sa aa. Bm lu 8 We aK Es ne meat 时 期 的 电流 变化 tet LTT (图 13) 。 心 脏 病 人 TEE 的 心电图 中 各 波 的 波形 : 幅度 、 占 有 图 13 AJA ste oes 时 间 以 及 波形 偏转 方向 等 方面 不 同 于 正常 心电图 ， 这 就 是 利用 心电图 诊断 心脏 疾病 的 依据 。 随 着 临床 心电图 的 发 展 又 增加 其 他 记录 方法 ， 如 单 极 导 联 、 加 压 导 联 、 胸 导 联 及 食道 导 联 (把 探查 电极 放 入 食道 中 ) 。 这 些 导 联 的 方法 并 无 本 质 上 的 差别， 只 是 从 不 同 的 方位 反映 同一 心肌 的 电 活动 。 它 们 在 心 脏 疾病 的 诊断 中 相辅相成 ， 以 利于 正确 的 诊断 。 半 个 世纪 以 来 ,心电图 学 已 经 发 展 成 一 门 新 的 科学 ， 目 前 在 临床 上 采用 心电图 的 图 象 识 别 机 分 析 心 电 图 ， 可 以 迅速 准确 地 诊断 心脏 异常 ， 用 来 监护 垂危 病人 以 利 及 时 抢救 。 通过 遥感 系统 还 可 以 监护 字 宙 飞行 员 的 心脏 话 动 。 关于 大 脑 皮 层 上 电 活 动 的 发 现 ， seticRie7ee mm AGK 尼 里 夫 斯 基 (B. EL Danunuscenn), 他 用 声音 刺激 狗 的 Ree eh, BMS Ke EE BR. Tal 年 美国 人 卡通 〈《Caton) 也 发 现 暴 露 的 免 脑 上 能 产生 电 变 化 。 以 后 许多 科学 家 对 脑 的 电 现象 进行 研究 ，1924 年 德国 人 24 Hite (Brezer) 用 两 根 白金 针 刺 入 精神 病 患 者 的 头皮 并 与 颅 和 骨 相 触 ， 首 次 记录 了 大 类 的 脑 电 图 。 柏 格 发 现 当 正常 人 在 休 息 和 闵 眼 时 ， 在 头 的 顶 区 和 桃 区 可 以 引出 一 种 有 节律 的 电 ik, HBRABH 8 ~12k, BEKAASOMK. MR AT Blt BRACE, MRERRSHIRA ON aH MHA, HR 氛 18 一 20 次 / 秒 ， 振 幅 为 20 一 30 微 伏 的 较 快 的 节律 波 ， 并 命 名 为 8 节律。 柏 格 发 现 8 节 律 还 可 以 出 现在 皮层 的 运动 区 ,他 Unda, 8 两 种 节律 四 | 的 波 型 是 脑 的 正常 eH (0) col iMevnn anual ln | 放电 ， 由 此 命名 为 BNE) Wait VW every | EERE) » 2 . 三 十 年 代 后 期 ， 脑 Ke C8 BY Nae ln 电 图 技术 开始 出 现 WE Pies 并 不 断 改 Fc 48) Whe VV Vat skins ype, ARI ee SAO RE HER the 头皮 上 即 可 将 脑 电 1s FASIH. A Roig ra 图 14 “人 类 脑 电 图 图 除了 c 和 两 种 波 型 外 ， 还 有 两 种 慢 波 ， 即 》 波 “频率 为 0.5 一 3 次/ 秒 、 波 A20~ 200K) 和 Q 波 (频率 4 一 7 次 / 秒 、 波 幅 20 一 40 微 伏 六 它们 较为 少见 盖 般 在 沉睡 或 幼儿 时 期 出 现 〈 图 14)。 让 脑 电 波 是 大 脑 皮 层 神经 细胞 自发 性 的 有 节律 性 的 交替 放 Ho 如 果 一 个 圆 形 记录 电极 的 直径 是 1 厘米 ， 那 么 电极 的 下 面 大 约 有 100 万 个 脑 神经 细胞 ， 由 此 引出 的 脑 电波 就 是 许多 皮层 神经 细胞 电 活动 同步 性 作用 的 综合 结果 。 患 脑 外 伤 、 交 25 i. MMA Aes CoO. me. eA) 区 病人 ， 其 脑 电 图 均 发 生 异 常 改变 ! AAR LRA 重要 的 诊断 价值 。 脑 电 图 技术 应 用 于 临床 后 永久 RETR TRA, RA LAT ABE FH He Ee AREER 员 和 Wie ATG AR. UE ob, ies NOs EB ek AER AS CAR. ea PRR ESR. ENR THES ORR RAT Aa RAR i, ARIK ND sah. RR, Hy PK. OD HESS Roi ee. A Al 用 脑 电 图 对 于 探讨 大 脑 皮层 活动 的 机 制 、 对 了 解 一 般 的 高 级 神经 活动 特别 是 心理 活动 也 是 非常 重要 的 由 JW & 大 脑 除 了 有 自发 的 电 活动 外 ， 当 感觉 器 官 的 传人 系统 受 到 刺激 时 ， 可 以 在 大 脑 皮层 的 某 一 局 限 性 区 域 引 出 电 变化 ， 称 为 皮层 诱发 电位 。 在 中 枢 神经 系统 的 其 憾 部 位 如 生 脑 水 珀 、 中 脑 水 平等 也 可 以 引导 出 诱发 电位 。 由 此 采用 引导 诱发 电位 来 研究 感觉 系统 投射 部 位 ， 而 且 在 研究 大 及 皮层 基 能 定 信 广 面 也 有 重要 的 作用 。 (8) ee 总 之 上 AP BULBINE, LEM 枢 神经 系统 各 部 分 之 间 、 大 脑 皮层 各 部 分 以 及 皮层 下 不 同 细 胞 成 分 相互 作用 的 机 制 。 对 于 脑 异 拟 、 发 展 夭 工 智能 、 对 人 工 电脑 的 研制 等 仿生 学 的 重大 课题 也 是 非常 重要 的 。 下 下 半 植物 界 的 电 现象 。 植 物 机 体 与 动物 一 样 也 有 电 现 得 入 导 在 上 一 世纪 后 叶 已 经 观察 到 植物 电 现象 》 头 量 的 实验 证 明 电 现象 既 为 植物 细胞 和 组 织 所 有 ;也 为 整个 植物 体 所 有 5 植物 pr 是 全 Uninesnir 呈现 负电 位 。 但 是 植物 的 损伤 电位 相当 迅速 地 减 小 ,! 某 些 灶 ss hte eee 26 ee oe - 电位 ， 这 是 与 动物 的 损伤 电位 所 不 同 的 5 下 表 列 出 测定 不 同 植物 的 损伤 电位 以 及 随时 间 而 变化 的 资料 : 下 HHL: CER) | 材料 FUERIE (Acacia SP.) BE (Fuchsia Corymbosa) 石竹 (Silene mallifera) 凤 仙 花 (Impatiens) Age (Lupinus albus) Me. Fat 落地 生根 (Briophyllunr Calycinum) jn (Solanum Lycopersic icum) 对 单一 植物 细胞 的 研究 表明 ， 正如 动物 一样， 植物 的 电 现象 源 于 活 细 胞 。 在 一 些 淡水 络 类 如 和 车轴 营 或 假 车 轴 洛 有 巨 大 的 节 间 细胞 刀 其 长 度 至 少 3 BOK, HH40,3~0.582K, 在 显微镜 下 可 以 看 到 细胞 浆 流 。 这 种 巨大 的 细胞 很 适 于 进行 细胞 膜 电位 的 研究 由 采用 微 电 极 技 术 ， 将 一 个 微 电 极 《电极 尖端 直径 为 20 志 30 微米 ) 播 入 节 间 细胞 内 ”测定 静 息 电位 为 150 毫 做) 膜 内 为 负 。 当 细 胞 局 部 损伤 时 ,通过 其 损伤 部 位 显 示 为 负电 位 。 车 用 热 凝 方法 或 以 20% 乙 醇 作用 于 细胞 的 一 端 使 其 受 损伤 后 ,细胞 损伤 的 一 端 要 比 另 一 端 负 110m130 毫 伏 。 在 损伤 部 位 内 细胞 浆 流 立刻 停止 ， 而 在 其 他 部 位 仍 不 改变 /1 然而 经 过 几 十 分 钟 以 后 ， 电 位 差 逐渐 减少 至 零 , 细胞 浆 流 也 逐渐 停止 ,| 显然 细胞 已 经 死亡 。 可 见 ) 荀 藏 于 细胞 内 的 那 种 电动 势 只 有 在 损伤 时 才 表 现 出 来 ; 而 且 电位 的 夫 下 与 细胞 的 27: 0 10 20 图 15 植物 组 织 对 交流 电 刺 激 的 反应 上 图 为 实验 装置 下 图 为 植物 电 反应 变化 的 时 程 30.40 950 7 机 能 状态 密切 相关 。 植物 对 于 机 械 ( 如 折 曲 )、 化 学 、 慢 度 和 电 . 刺 汕 起 反应 时 ， 也 有 电位 产生 ， 对 刺激 产生 的 电 反 应 以 刺激 作用 部 位 为 负 ， 电 反应 的 幅 度 决定 于 刺激 强度 。 在 刺激 后 的 几 秒 钟 内 ”电位 幅度 可 达到 最 大 值 ， 但 电 反 应 衰减 的 时 间 却 要 长 得 多 。 图 15 表 示 植 物 组 织 对 交流 电 刺 激 的 反应 。 在 绝 大 部 分 的 植物 中 ， “对 外 界 刺激 的 反应 仅 限于 受 刺激 的 区 域 ， 然 而 有 些 植物 对 于 远离 区 域 的 刺激 ， 可 以 产生 运动 反应 同时 伴 有 电 变 化 。 例 如 含羞 草 对 外 界 刺激 发 生 反 应 ， 其 兴奋 可 以 扩 散 ， 在 兴奋 经 过 的 途径 上 植物 的 运动 反应 表现 为 叶子 的 闭 合 ， 而 电 反应 则 是 一 种 负电 变化 ,振幅 可 达 50 一 100 毫 伏 。 从 刺激 点 向 外 扩 布 的 速度 为 2 ~…10 毫 米 / 秒 ， 电 位 振幅 在 工 一 2 秒 内 达到 最 大 值 。 但 电位 下 降 的 幅度 却 要 慢 得 多 。 含 善 章 的 叶子 闲 合 后 处 于 折叠 状态 也 停留 一 个 比较 长 的 时 间 ， 因 此 其 电 反应 在 较 长 时 间 内 保持 一 定 的 幅度 ， 这 是 与 叶子 的 机 械 上 用 应 恢复 缓慢 的 过 程 相对 应 的 。 28 0 th 2 Ay 图 16 植物 组 织 对 折 曲 的 电 反 应 上 图 为 实验 装置 .下 图 为 电 反 应 变化 的 时 程 植物 在 光合 作用 中 也 有 电位 产生 。 在 植物 受 光 照射 部 分 . 和 暑 瞳 部 分 之 间 ， 或 叶绿体 含量 不 同 的 两 个 区 域 之 间 ， 在 光 . 合作 用 时 其 光化学 反应 的 强度 有 较 大 差别 。 不 仅 表现 在 氧 的 产生 和 二 氧化 碳 的 消耗 有 所 不 同 ， 也 表现 出 有 电位 差 。 采 用 APA (Elodea Canadensis) 的 叶子 作 实 验 材 料 ， 由 于 它 的 结构 简单 ， 只 有 一 根 中 央 叶 脉 和 两 层 细 胞 组 成 ， 很 适宜 用 来 进行 实验 。 实 验 时 将 叶子 的 一 半 用 黑 曾 遮 住 ， 然 后 将 电极 分 别 置 于 叶子 光照 部 位 与 黑暗 部 位 。 在 儿 分 钟 之 内 叶子 的 黑 29 了 瞳 部 分 比 光照 部 位 负 50 一 100 毫 伏 〈 图 17) 。 而 且 在 一 定 的 限 度 内 ， 两 部 位 之 间 的 电位 差 与 照射 的 强度 差 成 正比 。 若 将 法 单 除去 ， 原 来 的 电位 又 重新 出 现 。 由 于 光合 作用 决定 于 时 绿 ZAR 10 20 30 40 50 60 分 钟 图 17- -太阳 草 叶 子 光合 作用 的 电位 图 中 有 和 斜 线 的 矩形 表示 作用 电极 处 受 光 照 白色 氟 形 表示 整个 树叶 在 黑暗 中 电位 以 照射 处 为 正 素 的 存在 ， 因 此 在 有 斑纹 的 树叶 上 ， 同 一 光照 强度 下 ， 绿 色 和 无 色素 部 位 之 间 也 出 现 一 个 电位 差 。 例 妇 以 天 竺 蓝 〈Pe- largonium zonale) 叶子 做 实验 ， 将 一 个 电极 放 在 时 了 矛 的 绿 色 部 分 二 另 二 个 电极 置 于 无 色素 部 位 ， 当 处 于 黑暗 中 时 交 两 个 电极 之 间 的 电位 差 很 小 ; 当 突 然 曝 光 时 ”两 部 位 之 向 即 出 现 较 大 的 电位 差 ， 而且 照 射 越 强 时 电位 差 越 大 相 植物 叶子 受 光 照 部 位 与 黑暗 部 位 之 间 的 电位 差 是 由 光合 作用 代谢 过 程 的 差异 所 绚 起 的 。 所 有 的 花草 忆 蔬菜 和 树林 的 绿叶 都 可 以 证 明 有 光合 作用 电位 存在 ;但 在 不 同 的 植物 中 ， 这 种 电位 的 极 性 、 大 小 和 时 程 却 有 相当 大 的 差异 ， 30 光合 作用 是 一 切 生 物 赖 以 生存 的 基础 过 程 。 在 光合 作用 中 ， 叶 绿 体 是 一 个 出 色 的 换 能 器 ， 它 能 把 光 能 转换 成 生物 可 以 利用 的 化 学 能 。 太 阳光 照 到 植物 的 叶子 上 ， 光 子 被 叶绿素 吸收 ,根据 爱 因 斯 坦 的 光电 理论 ， 物 质 得 到 一 个 光子 就 可 以 放出 一 个 电子 。 因 此 ， 增 加 光线 的 强度 《〈 光 的 波长 不 变 ) 就 可 增加 放出 电子 的 数目 。 叶 绿 素 吸 收 一 个 光子 以 后 ， 总 的 结 果 是 可 以 射出 一 个 电子 来 ， 在 光合 作用 的 初期 ， 水 分 子 被 日 光 分 解 成 氧气 9; ASF CA") 和 电子 (Ce), BRAN 对 光合 作用 进行 模拟 ， 使 产生 的 电子 汇集 在 电极 处 ， 就 可 以 造成 光化学 电池 ， 开 辟 量 光 能 利用 的 新 途径 ， 为 人 类 提供 新 的 能 源 。 总 之 ,大 量 的 事实 说 明生 物 界 普 遍 存在 电 现 象 。 对 以 上 各 种 生物 组 织 在 安静 状态 下 电动 势 的 测量 和 研究 表明 ; 一 切 | 活 细 胞 的 内 含 物 和 外 表面 之 间 都 存在 着 电位 差 。 这 个 电位 差 随 着 细胞 的 死 它 而 销 失 。 不 同 的 细胞 或 同一 细胞 处 于 不 同 状 坊 时 ， 它 从 提 电 位 差 数值 不 同 ， 一 般 可 达到 数 十 毫 伏 。 细 胞 的 电 生 理学 研究 表明 : 细胞 的 电动 势 是 分 布 于 细胞 的 表层 王 ， 正 电位 与 负电 位 是 以 很 小 的 分 子 间 层 的 距离 而 彼此 分 隔 a. 例如， 神经 细胞 表面 的 平均 电位 为 70 毫 伏 ， 而 正 电位 与 负电 位 相隔 的 距离 仅 有 0.005 微 米 。 如 果 将 上 述 的 电位 差 扩 展 在 工 厘 米 的 距离 上 ， 将 等 于 140000 伏 / 工 厘米 “〈 即 0.07 伏 : 0.000005 毫 米 =140000 伏 /10 毫 米 ) 。 因 此 ， 在 活 细胞 的 表 面 上 这 些 电位 似乎 很 小 ， 实 际 上 是 很 巨大 的 电位 差 ， 要 产生 并 维持 如 此 巨大 的 电位 差 ， 需 要 活 细胞 作出 巨大 的 功 ， 并 与 细胞 的 物质 代谢 有 极为 密切 的 联系 。 因 此 ， 可 以 说 明生 物 电 在 细胞 的 生命 活动 中 起 着 何等 重大 的 作用 。 31 (三 ) 生物 电源 电 鱼 用 发 放 强大 电流 的 方法 进行 捕食 和 防御 的 事实 ， 引 起 人 们 很 大 的 兴趣 。 对 电 鱼 进行 实验 的 工作 在 早期 是 比较 粗 略 的 ，1838 年 法 拉 第 〈M. Faraday, 1847~1897) 将 电 鱼 放 在 水 槽 肉 ， 然 后 把 手 也 伸 在 水 中 。 手 在 水 中 的 位 置 处 于 各 电 鱼 不 同 的 距离 ， 刺 激 电 鱼 引 起 放电 后 ， 根 据 手 在 水 中 被 电 震 跳 起 的 高 度 ， 而 画 出 电 鱼 放 电 时 产生 电场 的 强度 图 。1877- 年 ， 巴 布 辛 利用 峙 类 的 神经 肌肉 标本 来 观察 电 鱼 放 电 效应 ， 他 把 蛙 的 神经 放 在 鱼 的 电器 官 上 ， 峙 的 肌肉 发 生 收 缩 运 动 达 . 5 分 钟 ， 交 挛 的 频率 为 4 一 5 次 / 秒 。 此 后 人 们 用 仪表 测量 了 各 种 电 鱼 放电 时 的 电压 值 ， 其 结果 是 惊人 的 。 例 如 电 鳗 体 长 2.5 米 放电 电压 可 达 600 伏 ， 电 流 强 度 不 超过 工 安 培 ， 放 电 时 能 将 水 中 与 其 相距 不 远 的 人 和 马 击 异 。 生 活 在 南美 洲 河流 中 Hy Hf (G ymnotus electricus) 身长 仅 92 厘 米 , 其 放电 电压 可 高 达 866 伏 。 生 活 在 非洲 河流 中 的 电 铃 CM alapterurus) 最 大 的 体 长 为 60 厘 米 ， 放 电 电 压 为 400 一 450 伏 。 其 中 最 大 的 一 种 电 鱼 是 在 北大 西洋 发 现 的 电 鳃 ， 体 重 可 达 100 公 斤 , 它 产 生 的 电压 值 为 60 伏 ， 电 流 强度 有 时 可 达 50 安 培 ， 其 功率 高 达 3 于 瓦 ， 足 以 电 死 一 条 大 鱼 。 目 前 已 经 知道 前 电 鱼 大 约 有 500, 种 ， 它 们 所 以 能 放电 ， 是 由 于 体内 有 一 种 特殊 的 发 电器 官 。 电 鱼 的 发 电器 官 是 体内 某 些 组 织 特 化 的 结果 ， 其 来 源 因 电 鱼 的 种 类 不 同 而 异 。 电 鳃 和 电 鳗 的 发 电器 宫 是 由 帅 册 组 成 ， 电 铃 的 发 电器 宫 是 由 皮肤 腺 组 成 。 虽 然 发 电器 官 的 来 源 不 同 ， 但 各 种 电 鱼 发 电器 官 的 结构 是 相似 的 :它们 是 由 多 边 形 柱状 体 构成 ， 长 达 数 厘米 ， 直 径 约 3 OK, RARE 了 2 面 似 蜂 窝 状 ， 各 柱状 体 之 间 被 结缔 组 织 质 板 相互 隔 开 。 每 一 个 柱状 体 又 分 成 大 量 的 小 间 ， 每 个 小 间 沿 柱状 体 纵 行 排列 ， 各 个 小 间 之 间 是 结缔 组 织 的 隔 板 ， 小 闻 的 中 间 是 电 板 ， 电 板 的 厚度 为 7 一 40 微 米 ， 并 与 隔 板 平行 排列 。 在 电 板 的 两 侧 还 有 凝 胶 组 织 支持 着 电 板 〈 图 18) ， 实 际 上 每 个 电 板 就 是 一 个 由 肌肉 细胞 特 化 成 的 电化 学 细胞 。 这 种 特 化 的 肌肉 细胞 在 发 FESS BST AS FEE WS Tt EE HUET : 图 18 电 鳗 体内 电 板 的 排列 位 置 电 板 一 侧 的 膜 是 光滑 的 ， 接 ZA ae, BMRA FLA 状 突起 ， 没 有 神经 支配 〈 图 19) 。 采用 微 电 极 技术 测定 电 鳗 电 板 的 膜 电 位 为 80 一 90 毫 伏 ， 膜 内 为 负 。 当 电 板 放电 时 ， 即 细胞 兴 Alo 电 板 模式 图 否 时 产生 的 动作 电位 达 150 毫 伏 ， 放电 持续 时 间 约 2.2 毫 秒 。 在 安静 状态 时 ， 电 板 两 表面 的 电 位 是 相等 的 ， 当 放电 时 这 种 电 变 化 只 发 生 在 电 板 有 神经 支配 33 的 一 面 ， 表 现 为 电位 变 负 ， 而 另 一 面 的 电位 则 不 变 【《 图 20) 图 20 Hkh REA 左 图 : 电 板 处 于 安静 状态 ABA: 电 板 放电 每 种 电 鱼 的 发 电器 官 都 含有 大 量 的 电 板 ， 例 如 电 鳃 发 电 器 官 的 每 一 个 柱状 体 就 有 1000 个 电 板 以 串联 的 方式 排列 ”有 2000 个 柱状 体 以 并 联 的 方式 排列 。 每 一 不 电 板 都 受到 神经 支 配 ， 当 电 鳃 受到 刺激 时 ， 发 生 反 射 性 放电 ,各 东 电 板 几 乎 同 时 发 生 兴奋 而 放电 。 因 此 ， 每 个 电 板 放 屯 时 虽然 仅 有 150 训 伏 ， 但 获得 的 总 电压 即 可 达 150 伏 ， 并 产生 强大 的 电流 。 各 种 电 鱼 由 于 电器 官 在 体内 分 布 的 位 置 、 电 板 数量 及 排列 方式 的 不 同 ， 它 们 放电 时 电压 数值 和 电流 方向 也 不 同 。 电 鳃 的 发 电 ， 器 官 分 布 在 身体 前 部 的 鲁 覃 之 间 ， 电 板 总 数 有 200 万 块 5 电 鳃 身体 扁平 ， 电 器 官 内 柱状 体 的 排列 与 背 腹 方向 垂直 ， 电 板 的 并 联 形式 多 于 串联 。 因 此 放电 时 电压 较 小 ， 但 电流 强度 可 达 50 安 培 ， 电 流 在 体内 流动 方向 是 从 腹部 流向 背部 ,= 电 碘 电 器 官 在 体内 的 位 置 是 沿 着 躯干 的 两 侧 排列 ， 一 直 延 伟 至 是 鳍 部 ; 直子 鳗 的 体形 纵 长 ,， 电 板 排列 串联 多 于 并 联 放电 时 电 压 值 很 大 ， 而 电流 强度 较 小 ， 不 超过 1 安培 。 电器 官 内 柱状 体 的 排列 方向 与 鱼 体 长 轴 方 向 一 致 ， 其 体内 电流 方向 是 大 必 | 34 ”部 六 向 头 部 。 ,从 电 鱼 发 电器 官 的 结构 可 以 看 出 ， 它 就 是 由 串联 起 来 的 电 板 给 成 了 电池 。 而 伏 打 最 先 设计 出 的 电 板 堆 恰 好 与 电 鱼 发 电器 官 的 构造 相似 。 所 以 伏 打 把 他 发 明 的 伏 打 电池 也 称 为 人 造 电 器 官 。 电 鱼 的 放 曲 器 官 不 仅 能 产生 高 串 压 汪 而 且 在 放电 之 后 还 能 非常 迅速 地 恢复 放电 能 力 。 有 人 进行 实验 以 测定 发 电器 宣 持续 放 上 蝶 的 时 间 寺 以 电 鳃 为 材料 ,， 连 续 刺 激 可 在 15 一 30 分 钟 内 产生 1000 二 2600 次 放电 ， 然 后 发 生 耗 竭 。 间 隔 15 分 钟 后 ， 电器 官 对 刺激 飞 可 发 生 放 电 反 应 。 如 果 将 发 电器 官 估 体内 切 取 下 来 ,仍然 可 以 放电 1000 次 左右 。 可 以 看 出 ， 电 鱼 的 发 电 惟 官 是 一 种 十 分 完善 的 发 电 装 置 ， 它 工作 得 极其 经 济 ， 而 且 能 释放 出 大 量 电能 而 无 明显 的 疲 劳 。 如 果 按 每 克 体 重 计算 电 伦 官 输出 电功率 : He 401A, MAA AROS ih 克 重 只 能 输出 0-001 瓦 的 电功率 ， 它 仅 是 电 鳗 输出 功率 的 百 分 饼 一 岂 国 此 , 电 鱼 的 发 电器 官 就 是 一 台 高 效率 的 生物 电池 ， 它 的 王 作 特点 不 是 连续 的 输出 功率 ,而 是 以 间 上 软 的 方式 工作 。 其 间歇 输 绸 的 周期 率 及 比较 高 ， 每 秒 内 工作 用 个 毫秒 ， 如 果 大 倡 能 成 功 地 模拟 电 鱼 电器 官 在 海水 中 发 电 的 工作 原理 ， 并 制 出 发 电 装 置 ， 必 将 为 船只 和 潜艇 开辟 出 新 的 动力 。 如 何 利用 动物 电 作 为 电源 ， 代 替 其 他 方法 来 产生 电 ， 就 成 为 一 信 绚 大 广 转 的 课题 。 在 六 十 和 华 代 美国 通用 公司 字 宙 研 完 实 验 宇 以 大 鼎 为 对 象 进 行 了 和 具 物 电 应 用 的 尝试 局 他 们 将 一 全 电极 植 手 大 昌 前 肢 的 皮下 ， 另 二 个 电极 播 人 体腔 ， 然 后 将 导线 连接 到 一 今 特制 的 500 千 赫 的 无 线 电 发 射 机 上， 利 放 大 Bee 蕊 引出 的 电流 可 使 无 线 电 发 射 机 连续 工作 人 小 时 。 另 一 35 个 较 长 时 间 的 观察 实验 ， 使 电极 长 期 置 于 大 鼠 的 身上 ;在 去 个 月 的 时 间 内 ， 大 鼠 的 行为 并 未 发 生 任何 异常 变化 ， 说 明 大 鼠 已 经 习惯 了 电极 的 安装 ， 而 且 实 验 初 期 和 实验 未 期 测定 电 流 强 度 是 相同 的 。 因 此 可 以 推断 动物 电流 在 于 个 和 较 长 的 时 间 内 都 可 以 加 以 利用 。 这 个 实验 为 无 线 电 发 射 机 提供 了 新 电源 ; 这 种 成 功 的 尝试 将 为 仿生 学 研究 动物 电力 的 应 用 开辟 所 个 新 的 途径 。 | 自从 伏 打 第 一 次 人 工 生 产 电 以 后 ， 人 类 已 经 找到 了 许多 方法 来 生产 电 。 以 伏 打 电池 为 纵 型 相应 产生 各 BE BS 池 。1831 年 学 徒 出 身 的 法 国人 法 拉 第 把 磁铁 绕 电 线 运动 时 ， 发 现 电线 中 有 电流 通过 。 如 果 反 过 来 ， 使 电流 通过 电线 就 可 使 磁铁 转动 ， 这 就 是 发 电机 和 电动 机 的 王 作 原理 吕 至 十 恩 世 纪 以 来 由 于 电磁 理论 及 电工 技术 的 发 展 ， 为 电力 工业 的 必 展 开辟 了 广 冰 的 前 景 。 直 流 和 交流 发 电机 相继 问世 浊 二 百 多 年 以 来 特别 是 电磁 感应 发 电机 几乎 统治 了 作为 动力 应 用 的 全 部 电力 来 源 。 各 种 发 电厂 利用 煤 、 可 燃气 体 : 液体 燃料 : Be 质 等 发 电 ， 甚 至 可 以 把 日 光 能 转变 成 电能 ， 但 是 这 些 产 电 的 途径 ， 没 有 一 部 发 电机 能 够 获取 燃料 中 全 部 的 热 通 。 根据 热 力学 定律 ， 即 使 在 理论 上 ， 机 械 发 电机 的 效率 也 不 能 超过 百 分 之 五 十 。 因此， 把 燃料 转换 成 电 的 最 高 效率 都 受到 限制 涡轮 发 电机 的 效率 大 约 为 百 分 之 四 十 。 还 在 电 因 喝 发 展 的 初 期 二 大 们 又 开辟 了 另 一 种 产生 电 的 方法 ， 即 制造 你 料 电 池 。 183942 AK BH CW. Grove) cH) TS —7M BREE Ab 的 模型 。 燃 料 电 池 发 电 是 将 燃料 的 化 学 能 直接 变 成 电能 的 发 电 方法 。 燃 料 电 池 主 要 由 燃料 、 氧 化 剂 、 电 极 和 电解 液 四 部 分 组 成 。 燃 料 种 类 很 多 ， 有 氨 、 甲 醇 、 液 气 、 天 然 气 等 局 氧 36 ”和 丰 剂 一 般 用 氧气 凡 空 气 ， 或 过 氧化 氢气 等 。 电 字 的 电极 ， 正 ” 极 也 称 “ 氧 电极 ”%” “负极 也 称 “ 燃 料 电 极 ”， 常 用 的 电介质 有 氨 氧 化 钾 水 溶液 等 。 它 一 方面 使 燃料 与 氧化 剂 隔 开 ， 不 使 它 们 直接 发 生 反 应 ， 另 一 方面 它 又 使 燃料 和 氧化 剂 分 别 在 两 企 电极 上 同 电介质 一 起 进行 电化 学 的 “氧化 -还 原 反 应 ”， FER 应 中 直接 放出 电子 ， 从 而 产生 电能 。 燃 料 电 凶 不 仅 效率 高 ， 在 经 济 上 有 很 大 的 好 处 ， 而 且 不 排出 有 害 的 气体 。 油 于 燃料 电池 没有 运转 的 部 分 ， 所 以 不 振动 、 也 不 易 失 火 和 爆炸 。 美 国 发 射 的 “双子 星座 ”和 “阿波 罗 ” 字 宙 飞 船上 都 安装 了 燃 . Bt HE Hb 旱 在 1911 年 ， 英 国人 波 特 (M.C. Potter) 用 酵母 菌 制 戚 本 一 个 生物 燃料 电 字 。 它 由 两 个 容器 组 成 ， 其 中 一 个 容 ” 夭 是 由 半 透 膜 做 成 ， 装 和 人 活 酵 母 菌 和 葡萄 糖 的 混合 液 ， 把 半 透 膜 容器 再 放 人 一 个 较 大 的 容器 里 ， 大 容器 盛 以 充 有 氧气 的 葡萄 糖 溶液 ， 在 大 小 容器 内 插入 白金 电极 ， 在 两 电极 间 即 产 AE HL ie CPA21) 。 : J : j i 4 | “fal 图 21， WEE Pa OB He 37 波 特 认 为 ;微生物 分 解 葡萄 糖 讨 伴 有 电能 的 有 释 放 ， 这 种 放电 的 效应 是 微生物 活动 的 表现 ， 而 电流 的 夫 小 受到 迁 度 ; 培养 液 ( 葡 萄 糖 ) 的 浓度 以 及 参加 反应 的 活 酵 母 数目 顺 影 响 去 波 特 将 6 个 相同 的 酵母 电 地 组 成 一 个 电路 可 以 获得 到 25 微 安 的 电流 强度 。 生 物 电 池 的 出 现 使 工程 师 位 认识 到 生物 界 存在 着 燃料 电池 的 模型 。 由 于 从 高 等 动物 一 直到 微生物 并 在 它们 的 生命 活动 中 都 存在 着 电子 传递 ， 而 燃料 电 凶 就 汪 秋 用 和 氧 化 -还 原 过 程 从 燃料 中 获取 电子 ,然后 通过 外 电路 偿还 电子 因此 ， 模 仿生 物 界 揭 模 型 来 设计 生物 燃料 电 字 就 成 为 可 能 做 到 的 事 了 。 到 了 二 十 世纪 六 十 年 代 ， 已 开始 出 现 “ 上 点子 电 池 ” 这 是 一 种 细菌 燃料 电池 ,其 发 电量 可 以 用 来 供给 小 型 收 音 机 所 需要 的 电源 ， 而 且 还 试制 出 由 细菌 $ 海水 和 有 机 物 为 燃料 的 生物 电池 。 当 时 是 由 美国 航空 和 航天 局 进行 这 项 实验 的 ， 他 们 采用 一 种 可 以 生产 氢气 的 细菌 ,这 种 细菌 体内 含有 一 种 氧化 梅 ， 在 细菌 吞食 有 机 物 后 的 代谢 过 程 中 可 以 放出 氢 气 。 氟 气 可 以 作为 燃料 电池 的 燃料 ， 空 气 中 的 氧气 可 世 作 为 氧化 剂 ， 由 此 制 成 微生物 电池 。 但 是 这 种 电池 的 寿命 很 短 ， 因为 产 氢 菌 体内 的 氢化 酶 在 氧 作 用 下 可 以 洛 全 失去 功能 。 在 日 本 也 有 人 从 事 微 生物 电池 的 研究 ， 到 1979 年 初 ， 日 本 东京 工业 大 学 利用 废水 发 电 的 微生物 电 字 实验 已 经 取得 成 功 。 为 了 保护 生产 氢气 的 细菌 在 氧 的 作用 下 不 趟 失 产 氢 的 功能 ， 他 们 采用 琼脂 将 戎 体 包 起 来 固化 ， 然 后 切 成 4 毫米 的 章 方 体 ， 装 入 直径 为 2 厘米 、 高 25 厘 米 的 玻璃 管 里 。 当 含有 大 量 有 机 物 的 废水 通过 玻璃 管 时 ， 由 于 产 氢 菌 受到 琼脂 的 保护 不 受 氧 的 作用 ， 可 以 连续 生产 氢气 长 达 半年 左右 。 他 们 采用 的 是 酿 酒 三 的 废水 ， 含 有 大 量 的 有 机 物 。 供 给 产 氨 菌 食 用 后 ， 换 回 38 来 的 是 氨 气 供给 燃料 电池 发 电 。 因 此 这 种 微生物 电池 婚 能 发 Hit, 同时 又 能 处 理 废水 使 之 净化 。 | 这 种 电 字 获得 的 电量 还 很 by 基 电 流 强 度 为 40 毫 安 ， 还 不 能 马上 应 用 ， 但 是 利用 微 生 驳 把 废水 中 的 有 机 物 转化 成 电能 则 完全 是 废物 利用 。 生 物 燃 料 电池 可 以 把 机 体 排泄 的 废物 转变 成 电能 以 及 净化 水 的 效果 已 被 从 事 宇宙 航行 研究 的 工程 技术 人 员 所 重视 引 截 人 的 宇宙 飞船 航行 在 太空 之 中 ， 除了 能 获得 日光 外 ; 它 既 不 能 得 到 任 何 东 西 ， 也 不 丢掉 任何 东西 *。 字 宙 航行 员 是 生活 在 一 个 闭合 性 的 生态 环境 中 ， 如果 进 行 长 时 间 的 航行 六 例如 有 圭 个 宇航 AKGILAA, 他 们 所 需要 的 食物 、 水 和 空气 的 重量 和 上 古 用 的 空间 是 非常 可 观 的 ,这 对 于 字 宙 飞船 来 说 是 去 个 难以 克服 的 难题 。 面 对 这 个 现实 问题 ， 工 程 技 术 大 员 不 得 不 向 生物 界 BRD, WER “FHA” HR. 所 谓 字 宙 绿洲 就 是 在 汶 船 申 建立 一 种 物质 转变 揭 闵 合 循环 ,| 在 这 个 循环 中 ， 使 物质 在 转变 中 不 断 地 被 利用 。 例 如 使 人 体 呼 出 的 三 氧化 碳 CS | 食物 CO wri 2 人 一 13 Q2 ; —__—_—I {i PEHRPE RS) 图 22 闭合 生态 系统 再 转变 成 氧气 ， 排 出 的 尿 和 娄 再 转变 成 可 以 利用 的 碘 来 化 侣 ye. BRR “ERR” ARI, A RR Ae AMDT Bb TRA, BE BLS EAE He. EA VITIE Be His a PPK ET A 22s FH KARE — IS BPR PTE AR RD OE, Lt JAVA RE, FOC. PA ee IER FAl—P2B 5 EMR ATA NK LA, Tal HHA AUR SE EE oR EB A. PAE He ST PSHE A RW, HL ERR KT ES a A AR A wes THEA AER, AE “SRR Ae A FANE HY AE RATE FETE RA ICA RE, FI 县 光 获 得 食物 和 氧气 ， 排 尿 给 燃料 电池 获得 电力 和 人 饮 采 ， 就 没有 什么 东西 要 丢掉 而 实现 了 物质 循环 再 利用 中 ROR, 小 小 的 绿洲 利用 日 光 能 转换 即 可 制造 成 大 体 所 需要 区 能 量 和 鸥 船 使 用 的 电能 。 WE (四 六 生物 电 的 控制 生物 电 是 生物 体内 一 切 活 细胞 兴奋 的 标志 。 动 物 和 人 体 的 各 种 活动 都 伴随 有 生物 电 前 发 生 和 变化 。 神 经 系统 作为 机 体内 的 自动 控制 系统 通过 感受 器 感知 身体 内 外 环境 的 各 种 变 化 ， 感 受 器 犹如 换 能 器 ， 不 同性 质 的 感受 器 〈 如 眼 、. 耳 . 鼻 、 舌 、 身 ) 各 自 接受 不 同形 式 能 量 的 刺激 而 兴奋 ， 它 们 都 以 电 信号 〈 神 经 冲动 》 沿 着 传 入 神经 送 到 中 枢 神经 系统 。 脑 发 出 指令 也 同样 是 电信 号 ， 通 过 传 出 神经 到 达 效 应 器 宫 ， 完 成 与 内 外 环境 变化 相 适 应 的 生理 活动 〈 例 如 : 炎热 的 外 环境 或 体 温 升 高 都 导致 汗腺 活动 增强 ,动物 通过 视觉 、 听 觉 或 嗅觉 发 40 “本 >. li i Be DGC a Fee He SN aE MID I) RS Be WE, WN BRE yee RIS RAV ix 种 方式 或 状态 的 直接 与 间接 的 表达 。” 上 生物 电 的 产生 和 运动 就 正 是 感受 器 接受 外 界 刺激 ， 表 达 事物 存在 的 方式 ， 因 而 生物 电 就 是 机 体内 传递 的 信息 。 藉 脑 的 生理 功能 就 表现 为 对 信息 训 工 处 理 和 发 出 指令 〈 也 是 信息 ) 的 作用 。 控制 论 的 研究 告诉 我 们 ， 机 器 的 自动 控制 系统 和 生 斩 体 内 控制 柔 统 在 信息 传输 、 变 换 、 处 理 和 控制 等 一 般 规律 中 具 有 很 天 的 共同 性 。 机 器 的 自动 控制 系统 可 以 通过 改变 电信 号 药 形 式 ， 按 照 某 二 程序 驱动 或 调节 着 机 器 完成 某 一 规格 的 动 fe, 改变 输入 信号 的 程序 ， 也 就 是 改变 电信 号 编码 的 形式 ， 机 器 训 : 可 以 完成 不 同 的 动作 ， 得 到 不 同 规格 的 产品 。 而 生物 体内 的 电信 号 在 大 脑 的 控制 下 驱动 着 机 体内 的 效应 器 官 ， 完 成 二 定 规格 的 生理 效应 。 我 们 身 汪 每 块 肌肉 前 收缩 活动 都 是 在 它 的 支配 神经 传 来 的 电信 号 “神经 冲动 三 驱 动 下 产生 收缩 的 。 因此， 大 体 的 一 举 一 动 都 是 在 大 脑 发 出 的 电信 号 控制 下 进行 的 。 肌 肉 在 神经 电信 号 的 作用 下 发 生 兴 奋 而 收缩 ， 同 时 MASS LR EMS, BA “WL aS”. es AL 肌肉 的 活动 ， 仙 肉 收缩 时 产生 的 肘 电 信号 能 不 能 输入 机 器 的 控制 系统 而 操纵 机 器 呢 ? 这 就 为 仿生 学 的 应 用 开辟 出 一 个 诱 人 的 前 景 。 ““ 利 用 肌 电 信号 控制 假手 的 活动 就 是 生物 电 控制 技 坟 的 一 Bil: 在 五 十 年 代 后 期 ， 苏 联 制 造 了 能 工作 的 机 电 手 。 这 种 人 造假 手 可 以 模仿 人 手 药 提 紧 和 放松 的 动作 。 假 手 的 活动 是 从 操纵 人 员 手 臂 上 引出 的 肌 电信 号 而 启动 的 。 假 手 活动 的 动力 是 电动 机 ， 它 以 安装 在 假肢 中 的 电池 为 能 源 ， 在 操纵 人 员 的 41 前 网上 戴 着 一 个 手镯 式 的 电极 固定 园 。 它 使 电极 紧 贴 在 皮肤 上 ， 分 别 引导 出 可 使 手指 什 直 和 届 曲 肌肉 的 肌 电 信号 。 这 种 吉 接 引出 的 肌 电信 号 是 很 徽 小 的 ， 它 甚至 比 交流 电网 在 人 身 体 上 感应 产生 的 50 周 交流 信号 还 小 一 万 倍 ， 极 易 受 到 于 扰 ， 因此 这 种 未 经 加 工 的 肌 电 信号 是 不 能 发 挥 作用 的 。 只 有 通过 放大 器 加 大 电流 的 强度 才能 启动 假手 的 电动 机 工作 。 其 后 在 英国 意大利 、 美 国 也 制造 出 由 肌 电 信号 控制 的 人 造 手 。 目 前 这 种 贞 电 控制 的 假手 在 我 国 已 由 上 海 假肢 厂 和 上 海 生理 研 完 所 共同 研制 成 功 。 他 们 采用 两 块 圆 形 的 银 片 电极 、 涂 上 导 电 性 能 良好 的 电极 膏 、 贴 数 在 伸 指 肌 和 屈指 员外 面 的 皮肤 上 。 引 导出 的 肌 电信 号 Been 通过 差 动 式 放大 器 以 消 a BR50 Jed 36 iit fee SAY we > ECKL IES il — 7 i SN 机 ， 通 过 机 械 减 速 装 置 ， 带 动 假手 的 手指 张 上 机) 开 或 握 紧 。 残 肢 者 通过 NOE 训练 ， 可 以 建立 控制 假 es ee fm eh cy 产生 的 员 电 信号 ， 使 假 uw 手 的 手指 张 开 * MAI 收缩 产生 的 肌 电信 号 ，、 图 23， 肌 电 控制 假手 示意 图 使 息 手 的 手指 握 紧 。 其 握力 可 达 1 公斤 ， 提 重力 量 可 达 10 公 斤 (图 23)。 根据 册 电 控制 原理 ， 还 可 以 帮助 瘫 病 病 人 或 在 失重 条 件 42 ee. ae ees or 再 的 飞行 员 话 动 。 在 美国 开展 关于 肌 电 控制 的 研究 ， 一 方面 是 制造 大 造 肢 ， 例 如 制造 肌 电 控制 的 人 造 辟 ， 这 是 利用 戴 假 车 患者 肩 部 斜 方 肌 的 肌 电 信号 ， 输 入 计算 机 来 控制 人 造 臂 的 活动 。 在 一 些 患 麻 丫 症 而 致 残 的 人 ， 例 如 在 肩 部 和 手 之 间 损 坏 了 神经 通路 的 患者 ， 从 肩 部 肌肉 缠 出 时 电信 号 ， 经 过 放大 咒 以 后 ， 再 用 来 刺激 前 臂 的 肌肉 引起 手 发 生 相 应 的 活动 。 因 此 ， 这 种 装置 实际 bee RR, VW 健康 肌肉 药 肌 电信 号 来 启动 已 经 失去 有 效 神经 控制 的 肌 肉 。 另 一 方面 是 把 大 和 电子 仪 恬 偶 合 起 来 ， 用 人 的 肌 电 信号 来 控制 机 械 手 臂 的 活动 ， 帮 助人 完成 一 些 艰 巨 的 动 bo 作 。 例 如 字 宙 航行 Bic’ BURRS CAS BEI | Bie - te Sy ee RUBS 他 们 将 处 于 超重 的 状态 oR, A DH 图 24 “生物 电 伺服 控制 器 加 ， 使 字 宙 航 行 员 的 手脚 很 难 移动 ， 这 时 字 航 员 可 以 通过 紧 贴 于 胸部 和 臂 部 肌 内 的 对 属 销 电 极 ， 将 肌 电 信号 输 大 放大 器 ， 开 动 电动 机 控制 机 械 和 手臂 的 活动 以 帮助 字 宙 航行 员 的 手臂 运动 《图 24)。 43 肌 电 控制 技术 应 用 的 实际 效果 向 人 们 展示 了 生物 电 控 制 技术 的 广 阅 前 景 。 因 为 在 人 体内 ， 任 何 随意 动作 的 完成 都 是 由 夫 脑 发 出 生物 电信 号 控制 有 关 的 肌肉 发 生 收 缩 而 实现 的 吕 既然 可 以 利用 肌 电 信号 成 功 地 控制 顶 械 装置 ,那么 直接 利用 大 脑 生物 电 来 控制 机 械 的 可 能 性 鼓舞 着 人 们 去 实现 这 样 寺 种 i WE AS ts NA 的 机 械 ,，: 只 要 操纵 者 脑子 一 想 ， 被 控制 的 机 械 就 按 着 操纵 者 的 意图 进行 王 作 。 通过 遥控 ， 机 械 半 置 可 以 在 人 难以 到 达 的 蚜 方 在 人 的 脑 电 指挥 下 完成 人 所 应 该 做 的 一 切 事情 。 这 将 是 天 和 机 器 最 好 的 结合 ， 它 比 单独 的 人 或 单独 的 机 器 都 好 。 正 是 这 种 可 以 实现 而 又 诱 人 的 前 景 ， 使 生物 电 榨 制 技术 成 为 仿 He ch 9 ARR a BS ‘ ig 应 用 脑 的 生物 电 控制 技术 结 —— -ee et 图 25 利用 大 脑 生物 电 直接 控制 技术 设备 的 设想 图 | 在 生物 体内 各 种 器 官 接受 发 自 中 概 神 经 系统 传 册 的 信号 的 支配 。 由 大 脑 发 出 的 指令 碎 电 信号 《神经 神 动 控 制 着 器 官 的 活动 ， 而 大 脑 细胞 活动 又 时 妙 接 受 来 自 感觉 器 官 的 晶 信 44 LSS... aS Sa.2.2.2.:°0 _____ 号 ， 不 断 地 调整 其 本 身 的 活动 状态 兴奋 或 抑制 ) 或 产生 基 条 感 觉 “( 如 视觉、 听觉 等 ) .因此 人 们 也 可 以 通过 电子 仪器 产 村 电 脉 冲 作 用 于 生物 和 体内， 模拟 生物 电信 号 的 生理 效应 .这 种 设想 和 实践 对 临床 医学 来 说 ， 可 以 达到 治疗 的 效果 : Bilan 信 工 忌 肝 起 本 技术 在 而 床上 的 应 用 就 是 近代 电子 仪 吕 诺 用 于 医学 凸 前 二 项 重大 成 就 。 Se ery ree ee eee | Ss FRET CLS Ah in EY LI RRR. 在 人 的 二 生 中 六 心 WE aR ReaD, it Lats Ble See Bit, ot) SE We AH Ja» ARE (ME A hh IE AEA. ee RE HOPE, FEN ROE HES APR ERT OD ELA LE SLAs Hy FSFE nd Td Wc Sa ESR: GB i UNH i OE A — AR DLA TTL PR SELIG T BEE CP BD ree 2X. BSR FR) URI. WRAFHS, EMR 了 它 肪 内 前 传导 系统 《图 31)。 灾 房 结 的 自动 兴 《 奋 节 律 最 高 】 由 此 发 出 的 兴奋 神 动 通过 心房 的 传导 Be BE fe Fe HB FIL Pa aT PLS ha Kea. EE TAR Bids Fs EAE EG 兴奋 冲动 在 此 处 传 导 速度 又 然 减 慢 ， 然后 再 沿 房 室 束 及 图 26 心脏 的 传导 系统 清 氏 纤维 使 堪 右 心 45 室 肌 肉 被 兴奋 而 同时 发 生 收 缩 。 在 正常 情 襄 下 心脏 守 房 结 兴奋 的 节律 性 最 高 ， 心 脏 各 部 分 的 兴奋 节律 都 是 在 塞 房 结 的 节律 控制 之 下 。 ASH aa 到 达 房 室 交 换 区 出 现 的 时 间 延 搬 ， 恰 好 使 心房 肌 先 发 生 兴奋 而 收缩 。 当 心房 开始 舒张 时 ， 心 室 肌 才 被 激动 而 收缩 。 因 Ib, ERM BARE. HA Ree 感 神经 和 副交感 神经 对 心脏 的 双重 支配 ,发 出 电信 和 号 《神经 冲动 ) 调整 窦 房 结 的 兴奋 节律 ， 影 响 心 脏 搏动 的 频率 -( 心 率 ) 当然 由 赛 房 结 发 出 的 兴奋 冲动 也 是 以 电信 和 号 的 形式 来 启 _ 动心 肌 的 收缩 。 临床 上 有 些 心脏 病人 ， 可 因为 灾 房 结 功能 障碍 不 能 起 捕 或 者 心 内 传导 系统 传导 冲动 的 功能 发 生 障 得 ， 出 现 严重 的 心 律 失常 ， 使 心室 的 收缩 活动 与 心房 的 活动 脱节 ， 最 终 都 导致 心脏 射 血 功能 低下 ， 致 使 重要 的 脏 器 供血 不 足 ， 特 别 是 大 脑 缺 血 而 出 现 一 系列 严重 后 果 ， 甚 至 有 致命 危险 。 在 这 种 情况 下 ， 用 人 开 的 方法 ， 给 予 心脏 一 定形 式 的 脉冲 电流 ， 刺 激 心 肌 ， 可 使 心肌 按 一 定 的 频率 进行 有 效 的 收缩 ， 这 就 是 人 工 心 脏 起 搏 术 。 利 用 外 加 电流 的 方法 使 已 经 停 距 的 心脏 复活 的 事 Ky 早 在 1929 年 就 已 引 人 注 目 。 当 时 有 三 位 外 科 医 生 曾 在 一 个 已 经 停 搏 的 婴儿 心 胜 上 ， 用 针 插 人 心脏 然后 通电 给 予 刺 数 , 竟 使 心跳 复活 了 。 此 后 在 1939 年 由 美国 人 哈 曼 (Hyman) 设计 耶 第 一 台 用 于 心脏 电 刺 激 的 起 搏 器 。 由 于 那 本 技术 水 平 所 限 ,， 制 成 脉冲 发 生 器 的 重量 竟 达 到 7;2 公 斤 ， 虽 然 还 不 适合 于 临床 ， 但 是 给 予 外 科 医 生 们 一 个 重要 的 启示 ， 就 是 采用 人 工 的 方法 ”用 一 个 较 大 的 电极 ， 发 出 脉冲 电流 能 可 靠 的 刺激 心脏 。 但 是 直到 1952 年 由 佐 尔 〈2Zo11) 使 用 两 个 电极 46 。 板 安置 在 病人 胸壁 外 面 ， 以 闸 流 管 刺激 器 输出 单 相 直流 脉冲 来 电击 已 经 停 跳 的 心 脏 获得 成 功 时 ， 在 临床 心脏 病 学 领域 内 汪 才 升 始 向 着 电 治疗 迈 开 了 第 一 步 。 二 十 多 年 来 通过 临床 实践 不 断 改进 起 搏 器 ， 导 线 及 电极 的 固定 位 置 ， 使 心脏 起 捕 术 有 了 很 大 的 提高 。 目 前 常用 的 起 搏 方 法 分 为 临时 起 搏 和 永 和 久 起 搏 两 大 类 ， 根据 病人 情况 而 定 。 电 极 的 安放 途径 多 采用 表 脉 导管 法 。 在 :X 线 透视 和 心电图 的 监护 下 ,将 带电 极 的 导管 从 颈 外 静脉 或 下 肢 的 大 隐 苍 脉 插入 直达 右 心 室内 ， 使 导管 的 尖端 接触 到 心室 壁 ， 即 可 对 心室 肌 发 生 刺 激 而 起 搏 。 起 搏 器 发 册 可 以 调节 频率 的 电 脉冲 ， 盘 过 导线 和 电极 刺激 心肌 ,; 通 党 应 用 的 起 搏 刺 激 强度 约 为 5 毫 安 ， 冉 间 为 2 毫秒 。 对 壬 临 时 起 搏 术 ， 起 搏 器 一 般 放 在 体外 ， 导 线 经 皮肤 切 日 与 起 搏 器 联接 ， 对 于 永久 起 搏 术 来 说 ;- 则 把 起 搏 器 埋藏 在 锁骨 下 、 腋 下 或 上 腹部 的 皮下 组 织 中 。 这 种 方法 既 可 避免 感 染 、 又 安全 ， 也 方便 于 病人 。 REA ~ 产 的 埋藏 式 心脏 起 搏 器 ， 采 用 集成 电 路， 其 体积 相当 于 半 个 火柴 盒 的 大 Jy, 重量 仅 有 93 克 : (图 27)8 isa LUMAR BO A (| HOMO WLAH Ne OB, FT GE #e4e -友和 产生 或 传导 电信 号 障碍 的 心肌 维持 正 Sy EB. CAPE TY Ha a HE 图 27 Anes Ties, ioe PEN ee Ae 的 列 它 率 为 509%6 :应 用 人 工 心脏 起 搏 术 以 来 ， 死 亡 率 已 下 降 到 15%。 目 前 世界 上 带 有 心脏 起 搏 器 的 人 数据 不 完全 的 统计 47 也 马达 到 几 十 万 人 之 多 。 此 外 , “电击 除 额 > 又 为 医生 治疗 心脏 病 增 加 了 新 的 方 基 。 有 一 些 心脏 病人 ， 如 风湿 性 心脏 病 、 冠 已 病 等 ， 由 于 心 肌纤维 长 期 的 显著 地 增 厚 或 纤维 化 ， 即 失去 有 效 的 收缩 功 能 。 心 肌纤维 存在 许多 病理 兴奋 灶 ， 使 心脏 的 搏动 很 不 规 律 ， 甚 至 造成 颤动 心房 颤动 可 使 心房 的 跳动 达到 每 分 300 一 600 次 ， 显 然 这 种 额 动 就 使 心房 停止 有 效 的 收缩 ， 心 室内 血 量 的 充 徊 不 完全 ， 心 室 射出 的 血 量 也 减少 。 如 果 心 室 肌 额 动 ， 后 果 更 为 严重 ， 心 室 不 能 有 效 射 血 ， 必 将 危及 生命 、 需 要 进行 抢救 。“ 电 击 除 颤 ?就 是 在 病人 胸 外 应 用 直流 电 电 击 ， 在 极 短促 的 时 间 内 ， 释 放 高 能 电流 (300~ 400 PD) ,这 样 的 电流 通过 心脏 时 可 消除 心肌 纤维 的 病理 兴奋 灶 ,= 使 所 有 的 心 Mita, REBAR. Ze ie 77 Ha HE, FARRER SD He A HS Ri, We ATRL, HARMS HEA RE OE 电 。 通 电 时 病人 震动 一 下 好 似 前 胸 受 到 一 拳 之 击 ， 心 室 的 额 动 即 刻 消 失 。 对 心房 颤动 的 病人 施行 电击 时 ， 是 由 病人 自 熏 心 屯 图 中 的 R 波 来 触发 除 额 器 放电 ， 使 电击 的 时 刻 恰好 落 在 ib CoE, BORED EAN RE Bm] 〈 心 肌 在 收缩 时 ， 对 于 任何 强度 的 电 刺 激 也 不 发 生 反 应 ) 。 这 就 是 所 谓 “ 同 步 电 i”, 采用 这 种 方法 安全 、 有 效 、 迅 速 、 简 便 , 副 作用 也 少 ， 电击 后 病 大 的 心律 转 为 正常 心律 ， 目 前 国内 外 报导 :同步 电 击 转 律 的 有 效率 可 达到 80 一 90%。 因 此 电击 除 额 不 仅 可 用 于 抢救 病危 的 心室 颜 动 病 人 ， 也 可 以 用 来 治疗 心房 颤动 、 心 房 扑 动 、 室 上 性 心动 过 速 及 室 性 心动 过 速 等 严重 的 心律 拓 常 ， 为 治疗 心脏 病 开 辟 了 一 条 新 路 。 48 ES ee |. a ? 模拟 生物 电流 刺激 术 还 应 用 于 其 他 方面 。 苏 联 研究 睡眠 时 大 脑 细胞 电 活 动 的 特点 ， 制 成 了 一 种 治疗 用 的 电 睡 眠 器 。 它 的 工作 原理 就 是 以 一 定形 式 的 脉冲 电流 影响 大 脑 皮 层 ， 引 。 起 神经 细胞 的 抑制 ， 使 人 进入 睡眠 状态 。 这 种 睡眠 机 可 以 使 天 很 安静 的 进行 “夜间 睡眠 ”1 一 2 小 时 《〈 图 28)。 图 28 电 睡 眠 器 此 外 ， 脑 的 电 刺 沿 术 还 可 用 来 治疗 精神 病 。 早 期 这 种 治 疗 方 法 过 于 简单 ， 采 用 较 强 的 电流 ， 瞬 间 电 击 大 脑 ， 以 消除 精神 病 患者 大 脑 皮层 内 的 惰性 病理 兴奋 灶 。 这 种 治疗 方法 使 WATE AIMS, QUA REM ILD LA Ze I. 现在 已 经 改进 为 由 程序 装置 控制 的 无 线 电 来 传送 电 刺 激 ， 再 配合 轻便 的 电源 可 供 患 者 随身 携带 。 这 种 脑 的 电 刺 激 术 可 望 能 提高 对 精神 病 的 治疗 效果 。 对 于 增进 正常 人 的 智力 也 许 会 有 所 帮助 。 目前 国外 正在 研究 的 还 有 电 刺 激 视神经 和 了 听 神 经 的 方 49 “~ 法 ， 可 以 使 言 人 和 失 听 的 患者 重新 获得 视觉 和 听觉 ,对 我 国 特有 的 针 儿 和 针 刺 麻 醇 治疗 手段 ， 通 以 电 脉冲 代替 季 捡 ， 可 以 获得 较 好 的 疗效 。 这 充分 显示 了 外 加 电 脉 冲 对 于 调整 肌体 各 器 官 的 生理 功能 和 改变 中 枢 神 经 系统 机 能 状态 的 效果 s 总 之 ， 以 模拟 生物 体内 电信 号 的 生理 效应 光 以 外 加 的 大 王 电 脉 “ 仲 刺 激 术 的 应 用 也 属于 生物 电 控制 技术 的 一 个 重要 方面 。 属 于 这 种 类 型 的 仿生 学 就 是 生物 学 与 工程 技术 学 之 间 最 有 成 效 的 结合 ， 而 这 个 工程 就 是 人 类 本 身 。 亿 不 仅 在 医学 上 发 挥 治 疗 疾病 的 作用 ， 而 且 对 于 认识 人 类 本 霉 也 有 很 大 的 促进 作 用 。 天 20 、 电 子 学 技术 王 仿 生 二 电子 学 是 研究 电子 和 电 矿 场 运动 、 HRM. AER Fit) NRA DIE AH A Ste TERMI, CEM F se. PERERA CBC) 和 电路 救 未 都 是 电子 学 研究 的 重要 方向 之 一 。 由 于 目前 自动 化 技术 的 迅速 发 展 和 空间 科学 的 发 展 向 电子 学 提出 了 更 高 的 Bist, 要求 电 子 学 能 提供 更 高 质量 的 电子 元 件 ` 咒 件 和 设备 ， 在 电路 设计 中 要 求 更 加 精确 、 可 靠 和 具有 自 适 应 性 的 特点 。 要 达到 这 些 要 求 ， 一 方面 依靠 于 电子 学 基础 理论 的 研究 ， 另 人 子 学 欧 发 展 进程 》 仿生 学 为 电子 学 的 发 展 提供 了 不 少 新 思 人 结构 严整 前 线路 ;高 功率 低 消 耗 的 设计 原理 以 及 对 外 界 感 受 数 锐 的 感觉 器 官 等 ， 十 分 引信 人 胜 。 仿 生 学 研究 生物 体 的 各 种 复 素 生理 功能 ,包括 信息 的 产生 、 转 换 、 传 导 和 综合 ， 对 刺激 反应 的 协调 控制 } 学习。 记忆 和 自 适 应 能 力 等 ， 对 于 这 些 课题 的 深入 研究 为 电子 学 的 进一步 发 展 提供 宝贵 的 资料 和 PRIOR RA. Ae, 电子 学 既 扎 根 于 物理 学 和 数学 ， 又 向 生物 学 吸取 营养 :并 用 电子 学 方法 去 模拟 生物 的 功能 ， 创造 出 新 的 电子 设备 》 是 电子 学 发 展 趋势 中 的 一 个 重要 方 面 。 51 内 ， 经 过 对 信息 (一 ) 神经 元 的 模拟 神经 元 也 就 是 神经 细胞 ， 它 是 神经 系统 的 结构 单位 也 是 功能 单位 。 人 的 神经 系统 中 包括 有 一 百 亿 个 以 上 的 神经 元 ， 它们 在 体内 形成 神经 圆 络 ， 通 过 感觉 得 官 和 感觉 神经 〈 传 人 神经 ) 接受 来 自身 体内 外 的 各 种 信息 ， 传 递 至 中 枢 神 经 系统 的 分 析 和 综合 ”再 通过 运动 神经 ( 传 出 神经 ) 发 出 控制 信息 ， 以 此 实现 机 体 与 内 外 环境 的 联系 ， 协 调 侈 身 的 各 种 机 能 活动 。 如 果 把 整个 神经 系统 比喻 成 二 部 复杂 的 自 动 控 制 系统 ， 那么 神经 元 就 犹如 这 部 控制 装置 中 的 一 个 元 件 。 52 图 29 典型 的 神经 元 然而 ， 神 经 元 也 是 要 发 生 功能 障 得 的 ， 在 人 的 一 生 中 平均 每 小 时 约 有 一 千 个 神经 元 发 生生 病 ; 而 人 脑 仍 能 保持 着 正常 的 思维 活 动 。 但 是 ， 如 果 按 现 有 的 电子 技 术 水 平安 装 二 人 台 有 一 百 亿 个 电子 管 的 仪器 ， 那 么 平均 工作 一 种 钟 就 要 有 几 千 个 电子 管 损 坏 。 可 想 而 知 ， 这 样 的 仪器 要 保持 连续 工 作 是 根本 不 可 能 的 。 有 前 电子 器 件 还 远 没有 达到 象 神经 元 那样 高 度 的 可 靠 性 5 由 于 神经 元 之 间 巧 妙 的 网 络 联系 ， 当 神经 元 的 功能 发 生 障 碍 时 ， 神 经 系统 表现 了 迟 人 的 “自我 修复 ”的 能 力 ， 保 证 整个 神经 系统 的 工作 正常 。 因 此 。 形 蝴 对 神经 元 的 结构 和 功能 的 研究 ， 模 拟 制造 象 神经 元 那样 小 七 灵敏、 可 靠 的 技术 元 件 模型 ， 将 为 现代 电子 技术 提供 性 能 优异 的 新 元 件 。 ” - 神经 元 也 和 其 他 类 型 前 细胞 一 样 ;包括 有 细胞 膜 、 细 胞 质 和 细胞 核 。 但 是 神经 细胞 的 形态 比较 特殊 ，. 具 有 许多 突起 。 因此 又 分 成 细胞 体 、 轴 突 和 树 突 三 部 分 〈 图 29)3 细胞 体 是 神经 元 的 主体 部 分 ， 是 产生 兴奋 “〈 信 息 ) 的 原 发 点 。 神 经 元 兴奋 时 ， 神 经 膜 上 产生 的 电位 变化 称 为 动作 电 位 。 在 神经 细胞 外 记录 时 ， 动 作 电 位 是 一 个 负电 变化 的 脉冲 ” 信号 。 轴 突 是 神经 细胞 体 向 外 伸 出 的 突 起 ， 它 的 形态 特点 是 细 而 长 ， 形 成 纤细 的 神经 纤维 。 人 的 各 种 神经 纤维 直径 只 有 1 一 20 微 米 。 在 轴 突 的 外 面包 囊 着 一 肢 称 为 通 精 的 绝缘 物质 ， 使 神经 纤维 犹如 导线 一 样 ; :由 细胞 体 产生 的 动作 电位 相当 于 脉冲 信号 沿 着 神经 纤维 传导 。 由 成 千 上 万 的 神经 纤维 组 成 内 眼 可 见 的 自 色 神 经 干 ， 这 样 的 神经 干 就 好 似 是 一 根 多 股 的 电 话 线 ,其 中 每 根 神经 纤维 都 仅 能 传递 自己 神经 细胞 体 所 产生 的 伴 导 ， 阁 神经 纤维 所 传递 的 信息 彼此 之 间 互 不 干扰 。 神 经 元 所 产生 的 兴奋 冲动 依靠 轴 突 传递 给 其 他 神经 元 或 效应 ”神经 元 的 树 突 短 而 粗 ， 并 有 多 分 支 呈 树枝 状 而 得 名 。 它 和 来 自 其 他 种 经 元 的 辆 穴 未 梢 相 接触 。 神 经 细胞 体 也 接受 其 他 神经 元 的 轴 突 未 梢 。 一 般 情 况 下 ， 来 自 别 的 神经 元 的 轴 突 未 精 到 达 细 胞 体 处 ， 在 此 发 生 的 神经 冲动 傅 递 ， 对 读 神 经 元 超 避 奉 作 用 ， 使 细胞 体 放电 《区 奋 -产生 动作 电位 沿 着 它 的 辅 穴 继 续 传导 出 去 。 如 果 来 自 其 他 神经 元 的 冲动 到 达 该 神经 元 前 树 突 处 , 神 动 的 传递 只 能 影响 该 神经 元 的 兴奋 性 的 水 平 ， 53 并 不 能 有 效 地 导致 细胞 体 放电 (图 30)* 此 外 。 还 有 Be 经 元 的 轴 突 到 运 细胞 体 ， 对 于 该 神经 元 发 生 抑制 性 作用 ， 使 细胞 体 的 兴奋 性 下 降 ， 合 细胞 体 不 易 放电 或 停止 让 电 * 如 此 图 30 ”神经 细胞 之 间 的 联系 1C 神 经 元 的 轴 突 与 A 神 经 元 细胞 体 接触 于 本 了 神经 元 的 轴 突 与 A 神 经 元 的 树 突 接触 市 多 样 性 的 联系 使 神经 元 上 好 似 备 有 正 负 两 种 控制 装置 。 神经 元 根据 接 到 的 不 同 信号 巧妙 地 进行 信号 加 工 处 理 ， 最 后 综合 成 该 神经 元 的 兴奋 性 水 平 。 各 个 神经 元 通过 轴 突 和 树 突 互 相 ， 联系 形成 了 各 种 形式 的 神经 网 络 ， 犹 如 各 种 形式 的 电路 ， 如 : 负 反馈 、 正 反馈 、 si 组 成 集成 电路 《图 31)。 引起 神经 元 的 活动 需要 有 一 定 的 出 激 强度 ， 能 名 引 起 神 经 元 发 生 兴 奋 所 需要 的 最 低 刺 激 强度 称 为 阔 值 .可以 用 冰 值 的 大 小 来 表示 革 个 神经 元 的 兴奋 性 水 平 ， 冰 值 小 表明 兴 禁 性 水 平 高 ,反之 亦 然 。 那 么 神经 元 的 兴 《 奉 性 水 平 与 什么 因素 有 关 呢 ?. 神 经 细胞 在 安静 状态 时 ， 在 细 跑 膜 内 外 之 间 有 一 企 电 位 差 ， 称 为 膜 电 位 或 静 息 电位 ,一般 有 70~90 毫 伏 。 细 胞 腊 54 图 3 神经 网 络 的 形式 —> Fh Bath 1s SF in (-) 为 抑制 性 作用 C+) 为 兴奋 性 作用 CA) 负 反 馈 网 络 (B) 正 肥 馈 网 络 tC) 室 间 放 夫 网 络 CD) FAB te Ht (aS, SMM SITE, WE AMALIEARAS. EUR AR 的 改变 就 会 影响 神经 细胞 兴奋 性 的 高 低 ， 如 果 来 自 其 他 神经 元 的 冲动 到 达 细 胞 体 上 ， 引 起 神经 膜 的 极 化 状态 减 小 ， 即 腊 肉 外 的 电位 差 ( 静 息 电位 ) 减 小 ， 神 经 细胞 的 兴奋 性 就 升 高 。 这 种 使 膜 的 极 化 状态 减 小 的 影响 称 为 去 极 化 作用 。 相反 ,如 果 外 来 的 神经 冲动 使 神经 膜 的 极 化 状态 加 大 ,- 膜 电位 加 大 ， 神经 细胞 的 兴奋 性 降低 ， 这 种 抑制 性 影响 称 为 超 极 化 作用 。 因此 ， 在 静 总 状态 时 ， 神 经 细胞 膜 电位 的 大 小 决定 着 神经 元 兴奋 性 水 平 。 当 兴 奋 性 升 高 , 懂 电 位 减少 到 某 环 临界 数值 〈 阔 电位 ) 55 时 ， 神 经 细胞 就 产生 了 一 个 迅速 的 电 变化 ， 膜 内 外 的 极 性 倒 转 、 神 经 膜 外 发 生 负电 变化 ,出 现 可 以 传播 的 动作 电位 ,这 就 标志 着 神经 元 发 生 兴 奋 并 产生 一 个 冲动 。 神 经 元 发 生 兴奋 的 过 程 好 似 电子 管 放 电 一 样 ， 例 如 三 极 管 的 放电 过 程 受到 栅 极 电压 的 控制 ， 当 板 极 和 阴极 电压 均 不 变 的 情况 下 ， 栅 极 电 压 只 要 在 瞬间 发 生 二 次 很 小 的 变化 ， 就 会 使 电子 管 产生 板 流 ， 发 放 一 个 脉冲 。 然 而 电子 管 每 次 产生 的 脉冲 大 小 是 随 栅 极 电 压 改变 的 幅度 而 变化 的 。 可 是 神经 元 发 生 兴奋 时 ， 只 要 外 来 刺激 达到 阔 值 以 上 ， 不 论 刺激 强度 如 何 ， 一 律 引起 细胞 膜 产 生 最 大 的 电位 变化 。 也 就 是 详 ? 它们 所 产生 的 动作 电位 幅度 都 是 相同 的 ， 而 且 沿 神经 纤维 传导 时 ， 动作 电位 的 幅度 也 不 会 因 传导 距离 的 延长 而 衰减 。 当 然 ， 当 刺激 强度 在 闪 值 以 下 时 ， 虽 然 膜 电位 稍 有 变化 ， 处 于 局 部 的 去 极 化 状态 ， 但 是 由 于 膜 电位 的 减少 没有 达到 闭 电 位 的 水 平 ， 因 此 也 就 不 产生 动 作 电 位 ， 只 是 兴奋 性 稍 有 提高 而 已 。 这 样 ， 神 经 元 对 外 界 刺 激 的 反应 表现 了 “全 或 无 ” 的 特征 ， 而 且 在 传导 冲动 时 又 是 非 误 减 性 的 。 在 传导 冲动 时 所 消耗 的 能 量 来 源 于 神经 元 末 身 的 代谢 活动 所 供给 。 神 经 冲动 在 神经 纤维 瑟 的 传导 也 和 导线 一 样 ， 可 以 是 双向 性 的 ， 但 是 在 神经 元 之 间 内 祥 经 部 动 的 伟 递 则 是 单 向 性 的 。 即 冲动 只 能 从 一 个 神经 元 的 生 突 传递 给 另 “ATEN, APR RABE, OTS ; Hie eC aN I 7 PO OP mF 生物 原型 。 例 如 电子 计算 机 的 基本 元 件 是 电子 管 或 晶体 管 ， 计算 机 的 工作 是 以 电 脉 冲 形 式 进行 的 ， 而 且 琳 用 的 是 -- 进位 制 ， 以 有 无 电压 的 方式 来 表示 。 有 脉冲 代表 “ 12, 无 及 总 代 表 “02。 在 电子 计算 机 中 电子 管 以 通电 或 断 电 来 传递 是 脉 冲 26 ei th A “179 MO”, Pkobee Tepe AA eS. MEA Tia, KH KARI” WHEE EDR MAA “BR” HRMIE, BARAT RP “4S” eA 4 aE £7 hl may “1” meso RP “Fe EAA eho “0”. 所 以 神经 元 的 “全 或 无 2 也 是 二 进位 制 的 方式 ， 而 神经 冲动 在 神经 元 之 间 也 是 属于 单方 向 性 的 传递 。 因 此 ， 神 经 元 与 电 子 管 在 传递 信息 的 特点 方面 进行 比较 确 有 共同 之 处 。 但 是 神 经 元 的 活动 远 比 电子 管 可 靠 ,以 神经 元 为 生物 原型 进行 模拟 ， 对 于 研制 高 闫 量 的 电子 元 件 将 有 很 大 的 启示 。 从 仿生 学 的 角 关 来 看 汪 对 神经 元 的 模拟 从 两 个 方面 进行 。 一 方面 是 从 结构 和 功能 证 对 神经 元 的 同时 模拟 ， 制 作出 在 结构 与 功能 上 与 神 经 元 近似 的 实物 模型 汪 这 类 工作 主要 是 用 电子 模型 来 做 的 。 另 一 方面 二 要 是 从 神经 元 的 功能 出 发 进行 模拟 ， 其 中 也 包括 对 神经 网 络 功能 的 模拟 。 到 号 目前 灭 科 双 用 电子 管 、 半 导体 等 研制 作出 多 种 人 工 神 经 纤维 和 大 三 神 经 元 作为 自动 控制 装置 的 新 元 件 。 人 造 神经 元 的 模型 很 多 ;以 平 简介 一 种 由 4 个 晶体 管 组 成 的 模型 (图 32)。 | Ri 图 32 人工 神 经 元 57 由 晶体 管 BG: 和 BG; 构 成 单 稳 多 谐振 荡 器 y TER Ae eb | wa BBG 的 基 极 与 发 射 极 之 间 的 电压 来 模拟 神经 元 的 兴 园 值 ， 如 果 输 入 一 旦 超过 此 国电 压 , 多 谐振 功 器 即 记 生 脉 神 ， 相当 于 神经 元 兴 香 时 产生 的 冲动 。 脉冲 转 入 由 晶体 管 BG: 构 成 的 放大 器 ， 而 后 再 输 给 射 极 输 出 器 (BG4) 以 提高 神经 元 司 型 的 负载 能 力 。 模型 可 以 接受 兴奋 性 或 抑制 性 两 种 信号， 兴奋 性 的 输入 信号 可 通过 5 个 输入 端 进入 多 谐振 荡 器 :在 5 个 输 大 端 " 由 电 阻 Ri 一 了 :与 电容 Ci 一 起 形成 积分 电路 , 借 惑 这 个 线路 对 于 进 大 模型 的 兴奋 性 信号 进行 时 间 和 空间 总 和 元 在 神经 元 主 寺 来 自 换 制 性 神经 元 的 冲动 对 该 神经 元 的 作用 是 使 膜 虽 位 夫 夫 ; 而 造成 兴奋 性 下 降 。 一 个 神经 元 兴奋 性 的 永 平 最 后 决定 于 兴 备 性 和 抑制 性 冲动 综合 的 结果 。 在 模型 上 所谓 抑 制 性 输入 端 是 要 通过 由 晶体 管 BGs 形 成 的 反 相 器 ， 将 电信 号 加 为 多 谐振 荡 器 的 输入 端 ， 来 模拟 碑 制 性 神 动 对 神经 元 的 作用 志 在 模型 中 多 谐振 荡 器 输入 端 接受 信号 的 最 终极 即 决定 于 该 模型 的 兴 奋 性 输入 端 与 抑制 性 输入 端 相反 信和 号 的 综合 结果 二 了 工 . 上 述 律 经 元 模型 基本 上 可 以 模拟 神经 元 的 兴奋 、 抑 制 、 时 间 与 空间 总 和 以 及 “ 仿 或 无 ”的 反应 特征 等 ; (二 ) 感觉 器 官 的 模拟 感觉 器 官 是 生物 体 接受 外 界 环境 各 种 信息 的 器 官 ， 并 依 靠 它 与 外 界 “ 通 讯 ”。 经 过 亿 万 年 来 长 期 进化 和 自然 选择 的 ”结果 ， 各 种 动物 的 感觉 器 官 对 外 界 的 刺激 都 有 特殊 的 反应 ， 而 且 表 现 出 极 高 的 灵敏 度 和 十 分 特异 的 本 领 。 这 些 往 往 为 人 类 的 感觉 器 官 所 不 及 。 地 震 前 不 少 种 类 的 动物 表现 出 的 各 种 、 58 前 兆 反应 就 可 以 说 明 这 一 点 。 有 些 鱼 可 以 嗅 出 水 中 浓度 只 有 1 x 1078 毫 克 / 升 的 牺 质 ， 另 一 些 鱼 可 以 觉 赛 到 梯度 为 0.003 微 伏 /毫米 的 电场 强度 变化 ,响尾蛇 的 温度 感受 器 是 一 个 热 敏 器 审 ; 它 可 以 测 出 在 0.1 秒 内 增加 或 减少 10-4 卡 的 执 量 ， 即 相当 于 可 察觉 出 要 氏 千 分 之 一 度 的 温度 变化 等 。 对 于 动物 感觉 器 官 的 研究 和 模拟 ， 将 为 人 们 提供 许多 新 的 设计 思 想 ， 改 善 现 有 的 计算 机 和 自动 机 的 输入 装置 ; 创造 出 性 能 优 异 的 技术 部 件 。 此 外 ， 对 感觉 器 官 进行 结构 与 功能 的 模拟 ， 制造 出 近似 的 生物 模型 ， 还 可 为 人 补 装 丧 失 的 感觉 器 官 开 衣 新 的 途径 。 关于 听觉 器 官 。 早 在 一 百 多 年 前 就 有 人 人 发现， 蝙蝠 能 在 完全 村 暗中 飞行 ， 可 以 捕捉 空中 的 小 虫 ， 也 能 灵活 地 躲 开 障 得 物 。 人 们 一 定 会 惊 叹 蝙蝠 真有 好 眼力 , 其 实 它 的 视力 很 差 ， 即使 是 瞎 眼 的 蝙 晤 也 一 样 正 常 的 飞行 和 寻 食 ， 但 是 ， 如 果 将 蝙蝠 的 双 耳 堵塞 ， 它 们 就 很 难 捕食 ， 而 且 不 能 避 开 障碍 物 ， 还 易于 彼此 碰撞 。 说 明 失去 听力 的 蝙蝠 在 黑暗 中 是 完全 无 能 的 。 所 以 ， 可 以 判断 蝙蝠 在 空中 能 运动 自如 ， 不 是 靠 眼力 下 是 靠 听力 。 当 然 到 了 二 十 世纪 四 十 年 代 以 后 ， 人 们 已 经 清楚 好 了 解 蝙蝠 的 喉头 能 使 发 出 超声 波 ， 并 且 通 过 回声 的 方法 来 捕 捉 食物 和 躲避 障碍 物 。 通 过 深入 的 研究 ， 人 们 发 现 蝙 蝠 对 回声 的 收听 有 极 高 的 灵敏 度 ， 它 在 环境 噪声 比 信号 强大 两 千 倍 的 条 件 下 ， 还 能 检测 出 从 蚊子 身上 返回 来 的 声波 。 可 见 凡 同 芍 回声 定位 器 在 测 距 精 度 、 角 分 辩 素 和 抗 干扰 方面 都 不 比 现代 雷达 进 色 ， 而 且 启发 人 们 模拟 蝙蝠 的 听觉 器 官 而 仿制 出 雷达 的 抗 干扰 装 置 。 有 人 对 在 夜间 捕食 昆虫 的 某 些 种 类 的 蝙蝠 进行 研究 ， 剖 Sa == oa - 图 33 ”研究 蝙蝠 的 听觉 器 官 , 启 发 人 们 仿制 出 雷达 的 抗 干扰 装置 ， 析 它 们 的 头骨 、 矣 骨 和 耳蜗 ， 尤 其 对 耳蜗 的 精细 结 梅 进行 了 详细 的 研究 。 这 一 类 蝙蝠 的 外 耳 很 大， 并 且 可 以 向 各 个 方向 转动 ， 内 耳 特别 发 过 ， 按 体积 与 头骨 的 比例 都 比 一 般 的 哺 虱 动物 为 大 ， 两 个 耳 娲 之 大 几乎 可 在 头骨 的 中 线 处 相 会 ， 占 头 骨 后 室 的 大 部 分 。 从 耳蜗 的 内 部 构造 来 看 , 它 的 基底 膜 很 得， 螺旋 形 的 韧带 极其 发 达 ， 在 临近 鼓 阶 处 还 有 一 个 附加 的 崩 质 藩 板 , 称 为 外 螺旋 板 这 样 结构 的 特点 适合 接受 频率 很 高 的 声 音 和 低 密度 的 回声 。 此 外 ， 蝙 蝠 还 可 以 借助 于 两 耳 的 随意 运 动 来 测定 目的 物 的 方向 和 可 能 的 距离 。 ee 既然 蝙蝠 是 借助 于 听觉 的 回声 定位 方法 判断 食物 与 障碍 物 的 方向 和 距离 ， 那 么 也 可 以 为 盲人 提供 一 个“ 认 物 ”的 工 具 。 人 们 研究 蝙蝠 的 超声 定位 器 后 ， 为 盲人 仿制 了 一 种 象 声 纳 的 新 仪器 ， 把 它 安装 在 眼镜 上 (图 34)，, 以 电池 为 能 源 , 可 以 发 射 超声 波 并 且 接 受 回 波 。 仪 器 前 电路 把 超声 波 转变 成 能 听 到 的 低频 率 , 使 用 人 从 眼镜 架 上 小 耳机 里 就 能 听 到 回声 .这 种 仪器 包括 一 个 微型 的 超声 波 发 射 器 及 位 于 两 侧 指 旦 盘 状 的 60 传声器 来 接收 回声 ， 分 别 把 回声 信号 传 给 两 耳 。 它 的 探 测 范围 约 在 ;6 米 以 内 ， 一 个 物体 只 要 在 它 的 有 效 范 围 Al, Ze sph ae ahi We Ee AY [Bl A, 由 于 左右 传声器 回收 信 SHORES A Als 盲人 就 可 以 知道 发 生 回声 的 物体 的 方 向 。 蝙 蝠 根据 回声 信号 可 以 ) 2) 把 昆虫 反射 的 信号 与 地 表 、 BR, HEN REE SD AR / 开 ; 盲人 也 可 以 根据 回声 音 45 图 343 盲人 超声 眼镜 调 的 强 弱 区 别 他 所 探知 物质 的 性 质 。 例 如 : ;他们 描述 枝叶 茂盛 的 灌木 从 的 回声 是 软 绵 绵 的 评 面 村 扇 玻 玉 门 的 回声 是 清脆 的 。 通 过 回声 盲人 可 以 分 得 清 前 面 的 物体 是 挡 风 墙 还 是 栅栏 。 总 之 ， 这 种 声 纳 式 的 仪器 “ 河 以 为 证 人 引路 # 正 与 蝙蝠 利用 回声 定位 的 导航 相似 。 用 这 ”种 声 纳 装置 甚至 可 以 训练 八 个 月 的 天 生 言 童 用 听觉 来 :看 2 东西 5 4} 5G Ie, 4 研究 有 关 人 类 听觉 的 模拟 问题 ;其 最 终 目 的 是 为 了 使 机 器 识别 从 类 的 语言 语言 是 人 类 所 独 有 的 信号 系统 ， 人 类 通 过 语言 沟通 思想 和 感情 。 语言 作为 一 种 声音 信号 被 机 器 感 知 六 | 使 机 器 按 语 言 信号 的 含意 而 工作 * 这 样 一 来 就 是 通过 声 音 把 火 的 机 能 和 各 种 控制 系统 如 电子 计算 机 等 偶合 起 来 ， 这 在 电子 技术 领域 中 将 会 发 挥 重大 的 作用 二 为 达 此 目的 ， 人 们 是 发 明 一 种 模拟 人 耳 电 子 模型 ， 对 声音 信号 可 以 包括 音频 、 61 eb AE SA A ASL: SU of FLAS BAT NA Te HAE BAL D3 Hh Fe, LMI RETR A110 ~50 4 tal O18 ee ee ire 把 它 直 接 用 于 机 器 上 ， 就 是 声 着 这 制 器 ， 应 十 于 过关 二 bk Ea 以 接受 三 个 不 同 讲话 者 发 出 Ayla ree lth fre “停止 、 “ 疝 前 “向 后 “nee”, “A”, SE”, “aR”, “Ge 紧 ”、“ 松 开 六 “和 扔 掩 ”等 。 字 宙 飞 行 员 具 要 说 出 大 上 的 口语 命令 ， 就 可 以 通过 声音 控制 器 来 操纵 飞船 ， 这 样 就 解放 了 字 宙 飞 行 员 的 双手 ， 而 有 可 能 去 进行 搬运 货物 、 维 修 、 保 养 和 安装 等 操作 ， 尤 其 是 在 失重 的 条 件 下 , - 字 宙 改行 员 的 肢体 运 动 极 为 困难 ， 通 过 语言 命令 就 可 以 操纵 飞船 的 正常 航行 。 目 前 这 种 声音 控 制 器 也 应 用 于 控制 机 器 、 操 纵 信 员 通 过 声音 发 HOLES 命令 可 以 同时 熔 制 多 全 机 器 的 同步 性 活动 这样 RB RNS AR, eR HY Te Oh aa aS aN HA SAS RD. “ALR” ROE AK SUMAMEWESRUREES, HEMAM, 送 器 固定 在 耳 后 ， 由 具有 8 TERESA 传送 器 ， 后 者 再 把 信号 发 给 接受 器 ， 信 和 号 在 接受 器 转变 成 脉 ih, POLAR MOOT Ade EA, Zeer TE we ee EDR 关于 嗅觉 器 官 。 嗅 觉 在 动物 的 生活 中 十 有 重要 的 好 位， 它 站 依靠 嗅觉 躲避 敌 害 ， 寻 食 ， 在 生殖 季节 还 依靠 噬 觉 寻 踪 求偶 ;因此 一 般 动 物 都 有 比较 灵敏 的 嗅觉 。 人 们 都 可 净 的 狗 就 是 以 嗅觉 的 灵敏 而 著称 。 独 的 嗅觉 比 人 灵 黎 二 百 方 倍 ， 它 能 感觉 到 百 万 种 物质 和 不 同 浓 度 的 气味 ， 有 人 计算 在 1 厘米 的 空气 中 含有 268 亿 亿 个 气体 分 子 (268x 10%), HPA 62 | 于 有 9000 钻 沿 酸 分 子 狗 就 能 嗅 出 味 来 ， 说 明 狗 的 嗅觉 灵敏 度 河 达 到 单个 分 子 水 平 。 狗 由 于 有 灵敏 的 嗅觉 而 成 为 人 类 得 力 - 欧 助 手 ， 际 了 担 性 发现、 搜索 和 跟踪 的 活动 而 用 于 狩猎 和 公 SAT ob, 还 训练 狗 栓 找 煤气 和 其 他 工业 气体 管道 的 漏 气 Rh, 琪 军用 于 探矿 风 狗 根 据 地 下 矿物 的 气味 可 以 找到 埋藏 在 BUTE LIRR RE AOA” 5 然而 , 在 动物 界 嗅 觉 最 灵敏 的 还 不 是 独 揭 夏子， 而 是 昆虫 的 触角 。 昆 虫 的 触角 就 是 它 的 嗅觉 Ae, 竹 往 只 有 几 节 简单 的 结构 ， 但 是 只 要 保留 下 一 个 昨 节 就 仍 有 蜡 觉 能 力 。 而 且 呀 觉 是 昆虫 进行 彼此 “通讯 ”的 重要 手段 之 一 。 在 动物 个 体 之 间 进 行 信息 交换 的 方式 包括 视觉 、 听 觉 、 2 图 35 昆虫 的 嗅 党 器官 嗅觉 等 多 种 方式 。 但 是 昆虫 是 以 释放 化 学 物质 通过 噢 觉 器 官 引起 反应 ， 这 种 以 嗅觉 作为 嫌 通 消息 的 方式 比 视觉 和 听觉 更 为 重要 。 这 种 借助 于 气味 物质 作为 信息 传递 方式 可 称 为 化 学 通信 ， 昆 虫 所 释放 的 可 传导 信息 的 介质 称 为 信息 素 5 1 昆虫 以 信息 素 为 基础 形成 的 通讯 系统 ， 在 它们 的 生活 和 行为 !( 包 括 杂食、 保卫、 生殖 、 筑 梨 、 育 幼 ) 中 起 着 重要 的 控制 和 协调 旱 作用 。 当 一 个 肉 蛾 仅仅 分 泌 出 0.1 微 克 的 性 诱 物 质 , 竟 能 招引 国 相距 几 千 米 以 外 的 雄 蛾 来 相 会 。 如 此 微量 的 物质 % 传播 如 此 远 的 距离 ， 几 乎 是 只 有 一 个 物质 分 子 作用 于 雁 蛾 触角 上 的 咱 觉 感受 器 ， 但 这 就 足够 引起 雄 峨 对 此 引诱 物质 的 感受 DR 而 来 ,可 见 昆虫 的 嗅觉 灵敏 度 是 何等 的 惊人 1 关于 嗅觉 产生 的 机 理 ， 目 前 看 法 较 多 ， 也 未 统一 ， 还 要 深入 研究 。 人 和 哺乳 动物 的 隐 觉 器 官 就 是 存在 于 鼻腔 上 端的 噢 细胞 ， 它 们 分 布 在 嗅 上 皮 内 。 WL Be BAO a. RMA Fo 3 底细 胞 ， 噬 觉 细胞 是 双 极 型 细胞 《图 36), 向 外 周 突出 的 一 极 称 为 嗅 树 突 ， 其 末端 呈 圆 形 称 为 嗅 小 胞 二 并 直 此 未 胞 向 外 伸 出 许多 嗅 纤 毛 二 它们 也 无 一 定 的 方向 性 。 昨 细 胞 的 一 极为 细 长 的 轴 罕 ， 它 穿 过 头骨 的 筛 板 ， 进 大 大 脑 前 图 36 NAW 〈 双 极 细胞 ) 方 的 嗅 球 。 由 嗅 球 内 的 第 二 64 级 神经 元 发 出 的 轴 突 组 成 嗅 神经 进入 大 脑 的 嗅觉 中 枢 。 当 外 界 药 气味 物质 分 子 作 用 于 嗅 细胞 时 ， 可 以 在 噢 上 皮 引 导出 电 位 变化 ， 而 且 随 着 气味 物质 的 浓度 增加 对 嗅 细 胞 的 刺激 强度 加 天， 所 产生 前 电位 变化 也 加 大 。 有 人 研究 了 苍蝇 触角 上 的 嗅觉 感受 器 ， 它 是 一 个 可 与 外 界 相通 的 小 腔 ， 在 小 腔 内 含有 成 百 个 嗅觉 神经 元 ， 其 树 突 伸 NRA, AME SRA RR HA TAA Ph, SUR 质 分 子 作 用 于 触角 时 ， 就 可 在 神经 节 引 出 电位 变化 ， 采 用 不 同 的 有 味 物 质 刺 激 触角 ,其 电位 变化 的 频率 和 振幅 也 有 改变 。 初期 人 们 就 是 用 活 苍蝇 来 作为 生物 探头 ， 把 苍蝇 头 部 神经 节 内 引导 出 的 电 变化 经 过 放大 器 后 , 把 电讯 号 输入 到 分 析 器 内 ， 引起 分 析 器 发 出 著 报 信号 。 在 此 基础 上 ， 深入 研究 苍蝇 嗅觉 器 官 内 化 学 反应 转变 成 电 脉冲 信号 的 方式 后 ， 已 经 研制 出 灵 敏 的 小 型 气体 分 析 仪 , 目前 已 安装 在 宇宙 飞船 的 座舱 内 , 用 来 监测 气体 ,也 用 来 监测 潜水 艇 和 矿 并 里 的 毒气 及 时 发 出 警报 。 我 国 科 学 工作 者 研制 出 一 种 模拟 嗅觉 的 仪器 一 一 嗅 敏 仪 。 这 种 仪器 由 嗅 敏 半导体 探头 、 电 动 吸 气 汞 和 电子 线路 所 组 成 忆 嗅 敏 半导体 探头 是 由 二 氧化 锡 、 氧 化 儿 等 成 分 混合 烧 结 而 成 。 这 种 元 件 是 一 种 多 和 孔 的 烧结 体 , 由 于 粉末 颗粒 极 细 、 因此 使 元 件 具 有 相当 大 的 吸附 气体 的 表面 积 ， 当 气体 分 子 被 元 件 颗 粒 表 面 吸附 时 ， 就 使 元 件 的 电导 率 发 生 改 变 。 嗅 敏 仪 的 检测 部 分 采用 电 桥 电路 (图 37)， 将 其 半导体 元 件 作 为 电 桥 的 桥 辟 之 一 〈>)， 当 半导体 元 件 探头 过 P37 了 蜡 敏 仪 电路 到 气体 时 ， 元 件 电 阻 发 生 明 显 改 变 ， 65 电 桥 失去 平衡 ， 从 电表 (A) 上 可 表明 被 测 气 体 浓度 的 相对 夫 小 ;并且 可 以 通过 光 、 声 报警 。 为 了 避免 外 界 气 流 的 向 扰 模拟 鼻腔 的 作用 ， 把 嗅 敏 半导体 元 件 安装 在 电动 吸 气泵 内 引 提高 了 嗅 人 敏 仪 的 工作 效能 。 当 气体 销 获 后 寺 探 头 内 药 嗅 钨 元 件 的 电阻 迅速 复原 ， 即 可 以 再 次 使 用 总 经 过 实验 证 明宗 嗅 敏 仪 可 以 嗅 出 40 种 气体 ;包括 大 鼻 不 能 噢 知 的 一 氧化 碳 8 而 朋 对 许多 气体 非常 灵敏 ， 例 如 对 于 狄 度 为 百 万 分 之 志 的 氨 气 也 可 PAIL SR FMLA. TL Ae RE DAT ABA E MELB A, RIOT WP ROE ie UMBC, AL AT Me A FR SOREL BG He dh, MW WBOE HL TBARS RE Uy eto EB Pe SER Mb AT ME SE SP RA BR A I RT 发 射出 能 时 线 聚 焦 在 检测 器 上 ， Ha ES IR EA eB 灯 与 检测 器 之 间 时 ， 它 可 以 部 分 地 吸收 紫外 线 揭 辐 射 能 薄 减 少 了 检测 器 所 接受 的 能 量 ， 导 致 检测 器 内 部 参数 的 改变 而 发 CH SEHR. Ge APL FASC ATA Me My A OR Bee ba. LST PRL, A ERA A EA WA He 度 仅 有 千 万 分 之 二 时 ， 即 可 被 测 出 ;其 灵敏 度 已 达 到 狗 的 嗅 stk. Alt, RASA MEER Zoe BAIL BF PRE O. PUIEALELIL UE AURA 关于 视觉 器 官 。 视 觉 器 官 是 构造 复杂 。 功 能 完善 的 感觉 器 官 。 估 的 眼睛 又 是 生物 界 中 最 完善 的 视觉 器 害 梧 拟 大 和 动物 的 眼睛 ， 将 为 各 种 探测 装置 如 雷达 、_ 自动 控制 装置 提供 灵巧 的 生物 模型 ， | ener te 上 眼 的 结构 包括 折光 系统 和 感光 系统 两 部 分 ”了 眼 的 折光 系 统 是 半 个 复杂 的 光学 系统 ， 外 界 光 线 进入 眼 内 要 通 进 角 膜 : 66 岂 水 、 晶 状 体 和 玻璃 体 四 个 透明 物质 到 达 视 网 膜 ， 但 是 它们 的 折射 率 和 曲率 均 不 相同 。 虽然 外 界 物体 在 眼 内 成 象 的 过 程 符合 物理 学 中 凸 透镜 成 ; 象 的 基本 原理 ， 但 是 眼 对 光 的 折射 过 程 却 比 简单 的 止 透镜 要 复杂 得 多 。 眼 睛 可 在 不 移动 的 情况 下 随意 了 望 远 处 的 景物 也 可 仔细 辨 庆 近 物 。 腿 的 这 种 调节 能 力 , 在 不 同 的 动物 中 各 有 ea, wea 38 ARPA pe SR BR 不 同 的 调节 途径 。 鸟 类 是 通过 改变 角膜 的 曲率 软体 动物 是 改变 眼 轴 的 长 短 ; 鱼 类 则 是 通过 改变 晶状体 的 位 置 。 这 些 调 节 方 式 都 有 过 定 的 局 限 性 。 人 和 哺乳 动物 的 视觉 调节 则 包括 了 晶状体 曲率 的 改变 ， 瞳 孔 的 调节 和 双眼 视 轴 交 叉 等 三 个 复 杂 的 调节 活动 。 其 中 晶状体 曲率 的 改变 是 主要 的 因素 。 人 和 哺乳 动物 的 万 状 体 是 一 个 富有 弹性 的 透明 组 织 ， 当 晶状体 的 曲率 改变 时 ， 光 的 折射 率 也 发 生 改 变 ， 上 晶状体 的 曲率 完全 受 到 神经 系统 的 反射 性 控制 。 当 腿 畏 观看 近 物 时 ，* ih RA EY, 67 yep ae nes TR WAR AEA, SEIS, ABD AVATLSEBRBGHICRO TEDL» PTE el GR DEE, eGR Hy es PRE LN PAE BARB ES TE Bho LARA BRELE EBRD PT Ba) «sR SSE. BRAT IR DLN ARES Ue Seo a -光学 部 分 二 镜头 的 曲率 是 国定 不 变 的 , 则 人 休 忆 有 通过 不 听 也 改变 镜头 和 景物 距离 ， 才 能 获得 远近 不 同 的 象 款 醒 且 获得 的 = LET EMR. MEK 可 以 获得 gh Rik ys RE wee. A, ATR HDT 光 系 统 以 及 视 近 调节 装置 在 目前 仍然 是 最 完善 和 最 精巧 的 光学 自动 控制 系统 。 以 此 作为 生 听 原型 进行 模拟 ， 对 于 改善 现 有 的 光学 录 象 仪 器 ， 将 会 获得 有 益 的 启发 。 patie : aaa aia) onion Bo MAA 十 分 复杂 结构 的 ， 弄 ， 自 外 向 内 可 以 1 Uo SPE 让 0 eA PP A 0 CR SR ES vi mA FIR Bi eis CE A See ee) ae en oko 68 . Dis (EAAREE IK, 也 不 能 分 辩 色 觉 。 主要 承担 暗 视 觉 《 黑 | (RSD SRO ea, MICRO BE), (AD BREED oR, 三 SDF EAR, ERK A (BRM) -REK. USA, SOMA ee ae Da a a AE io RS aw DAR Ea AE. Glen See aie EL a ie S73 ean Oh i 1+ 6, A Ae Rea BES toe or ammmepin 视 锥 细胞 约 有 5 ~ 7 BA. EE OE RT RY 让 ||US BD ATE IR OS Po BB A LAF ZIAD. 21, $B eR wap eo 第 三 级 神经 元 为 双 极 细 wi Bi > ERS anes es SK | wonton ATR 5S AT a. <0) ARAB AR (A140) 6 Cet Bnet mA ABABA Bo: 让 神经 节 细胞 发 出 的 轴 突 ,元 seinen aT 0a Fi 开 归队 后 即 为 规 宰 经 中 壕 A 40 AIR. | 颇 腔 后 ,在 大 脑 底 部 形成 强 大 的 视神经 率 ; feed slp) ret tres 来 自视 神经 的 德 臣 闻 动 最 终 到 达 大 脑 桃 区 的 皮层 一 -视觉 中 枢 。 在 视网膜 下 等级 褐 经 元 的 相互 联系 方式 是 极其 复杂 的 ,， 它 集 在 视网膜 的 边 乡 部 分 和 中 心 部 位 的 联系 方式 则 全 然 不 同 。 在 中 央 区 域 全 类 馈 内 感光 细胞 全 部 是 视 锥 细胞 , 在 神经 元 的 联系 方式 下 每 二 作 双 极 细胞 仅 与 一 个 视 锥 细胞 联系 , 双 极 细胞 的 另 一 达 突 赵 老 仅 与 二 人 视神经 节 组 胞 相连 * 伦 们 在 数量 上 是 1 69 1 的 比例 。 因 此 ,每 个 视 锥 细胞 接受 光照 后 ,产生 的 神经 冲 阐 是 以 吉 线 方式 传 向 视觉 中 枢 。 有 从 视 圆 膜 中 心 部 位 疝 边 缘 部 分 移行 。 视 杆 细 胞 的 数量 逐渐 增多 , 视 锥 细胞 的 数量 越 来 越 少 ， 二 个 双 极 细胞 与 多 个 感光 细胞 联系 ， 而 多 个 双 极 细胞 和 才 与 一 MHA TAWA. CAMA, Pee Ha 5 RICAN IK BOB ATA 2507 VS ee M CEBU EA Sa Ae RERA] DMRS 种 复杂 的 细胞 间 联 系 方式 、 反 映 出 视觉 信息 在 视网膜 的 传送 过 程 中 ， 具 有 不 同 的 网 络 途径 ， 这 也 正 是 视觉 系统 外 周 神经 组 组 对 信息 实现 初步 处 理 的 结构 和 功能 基础 。 忆 对 于 视觉 器 官 的 仿生 学 研究 可 以 包括 两 个 方面 : 其 一 是 有 关 天 工 视 觉 的 模拟 。 人 眼 在 适应 于 黑暗 的 状态 下 六 表现 了 填 光 的 极 大 敏感 性 ， 可 以 接受 10 :尔格 能 量 的 光 能 ; 即 可 以 对 仅 有 十 元 个 的 光子 产生 视觉 反应 。 为 什么 有 这 么 天 的 光敏 性 ， 目 前 还 不 清楚 。 天 们 详细 地 研究 了 感光 细胞 中 光化学 反 应 过 程 ， 射 人 眼 内 的 光子 能 被 视网膜 所 感受 雹 是 由 手 在 感光 细胞 中 可 以 被 感光 物质 所 吸收 ， 产 生 光化学 到 应 ， 同 时 将 光 能 转化 为 电能 ， 即 引起 神经 冲动 。 借 助 电子 显 微 锁 的 观察 发 现 ， 感 光 细胞 的 外 段 具 有 平行 排列 的 世 片 结构 Ze BE 胞 天 约 有 一 千 个 薄片 ， 每 个 薄片 的 膜 上 含有 一 乎 个 感光 色素 分 子 。 因 此 ， 每 个 视 杆 细胞 内 大 约 含 有 一 百 万 个 感 将 色素 分 FF. PRR LEA, CMA eA, Cea Pay B.S RTE LRA, A HPAP ER ME RR, Hore. Be 是 由 维生素 A. 醛 〈 视 黄 醛 》 SEA WHAie TR 上 究 表明 ， 在 暗 光 下 , 视 紫红 质 实际 上 是 以 一 个 1 顺 视 黄 醛 称 70 一 个 视 蛋白 分 子 结 各 成 复合 物 的 形式 存在 ， 当 受到 光照 时 ,， 顺 视 黄 醛 将 转变 成 反 式 视 黄 醛 ， 引 起 分 子 构 型 的 改变 ， 即 齐 BB. AMR CAMA TERK DA TIA TE) i PERRO, dna, BAe 工 ， 在 大 脑 皮层 上 产生 视觉 。 在 苏联 有 人 设计 了 一 种 模型 体 系 光 他 们 用 胰 凝 乳 蛋 白 酶 代替 视 蛋白 ， 以 顺 式 肉桂 酸 代替 顺 PAS. MAAR TRAE ARS Aime A, (Be, 在 光照 作用 下 Wink AEE AR FY APO RA ERR, Jae 失去 对 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 抑制 作用 。 因 此 ;选择 适 于 胰 凝 乳 重 白 酶 作用 的 帮 物 式 蛋 自 质 7) 在 了 瞳 光 下 ， 胰 凝 污 蛋白 酶 的 水 解 蛋 自作 用 受到 顺 式 肉桂 酸 的 抑制 ， 但 在 光照 下 ， 利 用 反 式 肉桂 酸 对 上 胰 凝 汽 蛋 白 酶 抑制 作用 的 解除 ， 酶 发 挥 了 正常 催化 水 解 蛋 自 质 的 作用 ,得 到 蛋白 质 分 解 产 物 ， 在 预先 加 入 显 色 剂 的 情况 下 可 使 这 些 产物 发 生 显 色 反 应 。 这 种 视觉 模拟 体系 有 or 息 记 录 材 料 ， 或 最 终 实现 模拟 大 THR 进行 人 工 视觉 的 另 一 类 党 试 的 研究 ， EB AS Litt PP: AS Se SEAR is Weide FAS Vs) 2 AS Be PEA Hi RBM Pa, ibe ARATE REN. HEA AE 天 脑 桃 哇 的 皮层 上 视觉 中 枢 交 用 电极 刺激 皮层 上 的 一 个 点 中 就 使 大 产生 二 个 光 点 的 感觉 ,他们 认为 ,视觉 系统 影 象 外 部 世界 就 是 在 皮层 盾 以 百 万 合 光 点 构成 的 ,正如 电视 机 最 象 管 的 荧光 虹 贞 由 成 和 上 万 个 明暗 不 同 的 光 点 构成 物象 一 样 , 用 外 如 的 此 刺激 模拟 来 自视 神经 上 的 冲动 ， 刺 激 视觉 中 枢 疲 晨 引 的 某 个 点 ,脑子 就 能 看 到 一 个 光 点 ,这 和 脑 通过 腿 睛 71 某 个 字母 的 图 形 ， 刺 激 二 些 点 ， 言 人 就 能 “省 ”到 许多 光 点 7 MAAS RAR OR, BAERS Bl aw 了 字母 采用 不 同 的 图 形 ,就 可 以 使 言 大 对 不 同 的 字母 感受 而 拼 读 出 词 来 。1967 年 在 英国 首次 进行 了 临床 试验 . 沁 研 究 为 员 在 一 位 失明 不 久 的 53 岁 妇女 的 脑 肉 视觉 申 枢 处 河 埋 藏 了 80 RRR, GRR ASA ST TN eae Shi —-H80T 4% ACR BBS b, seep AIIEBS Ha ST WL ABMS (G25 HB WEE BE iy Te vk ee ES 把 短暂 的 电流 传送 到 此 妇女 颅 内 的 电极 LE, 4 Se Be ae ht, SOR AA 87 REP IER, six 4G Aa heh 女 能 辩 别 出 简单 的 图 形 。 近 些 年 来 ,皮层 光 点 刺激 系统 的 实 验 还 在 进行 ， 采 用 存 贮 有 言 人 所 需 资料 的 电子 评 算 栅 控制 所 有 电极 的 工作 程序 ， 结 果 使 盲文 中 用 手 触 觉 的 突起 转变 成 家 大 可 以 感觉 到 的 光 点 ， 结 果 可 以 使 这 大 Rte SCS aE 度 比 手 措 加快 五 倍 。 虽 然 如 此 人工 视觉 具 能 造成 糖 略 的 影 : 象 ， 但 是 CRAKE BD: Sa AA ea He ey AMPA Tht eee re ARH, RPE AMR ARH. AAA IRE io eee LASS, ATHRAR A, RACES TAR. ab PS, FREE T 26 a a ee Be, EET — AA HR | DAE OPE Bae a Ph 8 PU EIR DTS. FEHR BA RE ei eS: Ey RANE 70 NH EES ISR, Sane aR DR, 世 ay, 2A ESENR AAT EAU lL, DS LAG ESOS HE A SURE I LE 4h 72 性 记 对 表 灶 的 物体 交 好 仆 视而不见 ， 即 使 是 喜 食 的 小 虫 怜 在 眼前 放 蛙 也 无 动 于 圳 ,不 予 理 采 史 但 是 一 旦 小 虫 运动 小 青蛙 立即 一 跃 而 起 将 小 虫 知 人 腹 中 。 人 伯 对 蛙 的 视网膜 的 深信 研 帘 疗 发现 有 全 类 感光 细胞 点 只 有 当 目 标 进 六 它们 的 视 守 时 ， 而 县 必须 向 着 视野 的 中 心 移 动 ， 或 者 达到 视野 的 中 心 ， 它 们 ARERR, AA St Mas eS BK hi, Ae Ee TRA “Ee eR” oA TURD TEER “BB Re aR” Wyre FAY C41) Ss KP ER PTA MATAR, FH SRE RIC, PEP TES 排 在 处 周 与 人 造 神经 元 的 兴奋 输 大 端 相连 ， 将 另 一 个 光电 管 ES RE MER RE RAI 当 老 全 光 电 管 均 被 照射 时 ， 通 过 电路 中 各 种 参数 的 调整 使 大 造 神经 元 的 输出 为 零 。 当 一 个 不 透 汉 的 “小 圆 盘 向 ;光电 管 -运动 时 让 其 阴影 挡住 外 周 光 寺 电 管 时 计 大 造 神经 元 的 总 输 太 为 负 值 闷 些 时 神 经 元 没有 输出 二 但 是 当 小 圆 盘 移 大 中 央 部 位 遮 住 中 心 光 电 管 时 二 使 抑 ill PEMA ETS 而 大 PATCHY Ei A BAD | 个 光电 管 的 兴奋 性 输 Pel At a “昆虫 感受 器 ”电子 模型 -人 之 和 为 正 ) 大 造 神经 73 元 立即 有 僧 号 传 册 ， 吉明 大 造 神经 元 马 被 兴奋 悦 犹 如 青蛙 发 现 本 虫 运动 二 样 。 a A A” SERRA 6 Ve WC BL fies K ANIA ess tb: fee C Sei Pd OYORSE es" Son LAR ee eS le LP HER, CEHTRE 殊 方向 适 动物 体 的 边缘 发 生 反 应 如 时 物体 接 其 相反 方向 送 AML GAR IL. | PE SRT 2004 Set AL 78 Aa 经 元 设计 了 方向 边 感受 器 神经 元 网 络 模型 点 用 它 来 装备 六 种 警戒 雷达 ,安置 在 国境 线 或 机 场 边缘 ; 它 只 监视 未 避 来 的 民 税 和 导弹 人 对 于 式 出 去 的 却 置之不理 ; if Bide Bae At Ae degen i (5) AiR GAL 在 三 干 性 纪 四 平年 代 至 五 十 年 代 初 期 ， 一 些 科 学 和 工业 技术 发 达 药 国家 元 在 工业 生产 和 军事 技术 方面 已 开始 采用 各 种 自动 调节 器 ,伺服 系统 及 有 关 的 电子 设备 ,实现 生产 操心 的 自动 化 或 半自动 化 上 例如: JHE bY A 菩提 的 温度 ， 求 花 机 的 转速 发 电机 的 电压 :电动 机 的 运转 ， 用 伺服 系统 使 雷达 直 动 跟踪 目标 运动 ， 控 制 火炮 自动 描 准 身 击 ， 煌 成 飞机 、 舰 艇 的 自动 操 能 系统 等 。 尤其 是 在 四 二 年代 来 期 电子 计算 机 问世 ， 对 自动 化 技术 药 发 展 和 应 用 以 很 天 的 影响 电子 计算 机 能 修 自动 进行 快速 的 大 基 的 孝 字 计算 所 不 仅 计 算 的 精确 产 高 ”还 能 进行 某 些 判断 和 推理 工作 。 作 为 一 种 能 计算 、 有 记 权 , 佐 B47 oa DASAAAKOERTA, Ak, Bate RAL, 就 使 大 们 从 繁重 的 体力 劳动 和 大 量 的 重复 的 脑力 劳动 中 解放 出 来 ,为 了 研究 设备 自动 化 的 设计 方法 及 性 能 分 类 A 74 a 旗 究 了 下 寺 体 内 各 种 生理 活动 自动 调 省 的 规律 ,相应 地 出 现 了 有 半自动 调节 原理 和 伺服 系统 理论 的 新 学 种 ; 四 后 年 人 未 期 ， 在 电子 计算 机 、 自 动 调节 :通讯 技术 4 神经 解剖 学 ， 神 ， 经 生理 学 和 数学 等 学 科 的 相互 渗透 的 基础 上 ， 形 成 了 一 门 新 的 边缘 科 学 一 按 制 论 ; 它 是 用 来 研究 自动 机 器 和 生物 体内 控制 与 通讯 的 共同 闪 律 : 例如 ， 反馈 原理 既是 各 种 自动 调 攻 PE AMMAN SEU LRG DR, FE ALOR OF AD vee, EAA WARS LEE ORLA. eS AUS A HOM, OAL LER. TIT esa” 是 指 ait, BO. EM ARIE OAR. PI OR A REL Wh. BL AEA REE SRS RS 密码 等 。 例如 大 和 动物 通过 感觉 器 官 接收 到 灿 体 内 处 环境 发 生 改 变 的 各 种 信号 :传人 到 神经 系统 一 大脑， 肌肉 系统 和 逐 体 也 从 神经 系统 搂 收 到 进行 活动 的 信号 而 完成 某 种 反应 ， 以 及 生殖 细胞 携带 的 遗传 密码 等 ， 都 是 属于 信息 的 范畴 。 在 KD RRILE I, RAI EO 5 OTE OT 信息 的 产生 ， 欣 能 。 传递、 处 理 、 编 码 、 综 合 、 识 别 和 记忆 alge eee Pitre elie me Der ace: 探索 生物 控制 和 信息 系统 的 奥秘 将 为 研制 各 种 自动 调节 计 算 ， -通讯 的 下 动机 器 带 米 新 的 启 订 让 1 5 Saini FO, RIL AW. HMR AP LRH SRA. Ha PE BL Bo te PEL 答 的 不 断 族 过 着 一 定 程 产 直 是 计 神 经 委 统 和 种 经 活动 过 各 TEE BIOL ROR, Jno: UE aL OUR AUN AE RAI 神经 冲动 的 质 和 神经 元 的 网 络 结 构 。 神 经 生理 学 对 这 两 个 WASSER ASE A PRC, MOC VOR 75 对 手提 高 电子 计算 机 的 性 能 也 是 非常 有 益 的 。 在 本 章 关 于 神 ， 条 元 的 模拟 =- 节 中 关于 神经 元 活动 的 “全 或 无 ?特性 * 就 具有 计算 机 所 采用 的 二 进位 制 的 形式 。 而 说明 大 脑 内 神经 元 的 加 络 结构 乃 是 阐明 大 脑 控 制 系 统 的 关键 。 在 神经 网 络 由 如 了 时间， 总 和 空间 总 和 ,具有 类 似 计算 机 内 加 法 器 的 届 辑 单元 所 进行 WER HABE BANA, , 几 笠 是 往返 个 ， 宇和 人 验证 明 ， 这 种 持久 的 神经 活动 在 “学 习 A “RIL? RE 发 挥 作用 。 关 们 对 神经 系统 的 网 络 研究 还 深入 到 网 Sey :根据 神经 解剖 学 的 资料 进行 定量 的 分 析 并 进行 tte SAC 2 dR 2 PF — 8 a AL BI 2 成 一 个 接 一 个 的 阵列 ， 整 个 模型 可 以 进行 调节 \ 综 合 、 识 别 、， 预报 ,二 并 使 模型 的 反应 和 6 能 初步 的 运 应 于 环境 多 it. re OO 型 。 可 中 进 行 脑 模 所 的 忆 的 就 是 为 了 发 现 新 的 控 ea wes ; : “ok i os HELL EEE A 5 He, Be ie BAF Bs: AME Ha — 和风 二 WR, LAST, ale naa Ew! 7 发 生 功 能 故障 ,在 人 的 一 人 人 人 失调 3 但 是 仍 可 保持 脑 的 自动 控制 机 能 正常 进行 。 这 提示 脑 内 的 神经 网 络 中 备 有 羡 够 的 后 备 力量 ， 保 证 了 系统 萄 可 靠 性 ; 工程 师 们 都 明确 ， 人 的 课题 。 神经 系统 的 结构 成 功 地 解决 了 这 一 朵 难 ;， 然 面 。 即 策 采 用 人 脑 神经 元 数量 的 再 分 之 一 ， 即 建造 一 全 由 二 摧 万 仿 ‘76 ete fe 元 芷 但 成 的 计算 机 就 很 难保 证 进行 正常 的 工作 。 ”局 大 说 可 以 进行 学 习 和 记忆 但 是 就 记忆 前 容量 来 看 , 电 子 计算 科比 和 起 人 脑 是 非常 有 限 的 。 大 脑 的 记忆 容量 可 达到 1055 比 特 储 意 〈 比 特 是 信息 量 的 单位 ) ;而 计算 机 的 最 天 记忆 REA ~1COKH, 相差 二 千 万 倍 ;， 脑 的 记忆 是 通过 脑 细 脂 内 蛋白 质 分 子 变 化 来 实现 的 ， 但 是 记 亿 也 依 赖 于 神经 元 之 全 的 相互 联系 :| 脑 细胞 之 间 有 非常 复杂 的 网 络 ; 可 以 把 贮存 在 许多 部 位 的 信息 联系 起 来 ， 而 且 ， 脑 还 有 与 记 亿 相反 的 神 到 活 动 进程 王 一 忘记 。 所 谓 忘 记 就 是 去 掉 不 再 需要 的 信息 。 了 闫 的 另 一 不 重要 的 功能 是 “识别 ”能 力 。 这 是 在 学 习 和 TCM LEH, CE-T+SROMALE, 例如 图 样 Wal, BEARS AM AA MSL. 在 空间 方面 能 aoe HI ARR, 在 时 间 方 面 可 以 发 现 同 二 事物 随时 亲 的 变化 ,大 通 进 夫 脑 和 眼 的 组 合作 用 可 以 同时 完成 这 两 方 MVR. 通过 眼睛 可 以 观察 外 界 事物 ， 用 全 各 的 方法 记录 在 天 腑 内 ;太后 再 遇 到 类 似 的 事物 时 ， 就 用 以 前 记忆 的 事物 周 新 观 察 到 的 事物 相 比 较 ; 以 此 识别 外 界 事物 ; GAEL REO (ARAB, 例 帮 从 别 重 逢 的 老 朋 友 一 见面 就 会 认 诊 而且 能 指 遇 对 施 的 变化 ,大 脑 对 于 外 界 事 物 的 这 种 识别 能 力 是 相 妆 强 的， 并 耳 可 以 同时 完成 对 空间 和 时 间 两 方面 的 识别 。 脑 前 识别 过 程 了 地 即 古 思考 的 过 程 ， 这 是 目前 任何 计算 机 所 无 法 ig. : 站 脑 所 以 能 作为 最 完善 的 自动 控制 系统 的 一 个 重要 特 得 忆 在 于 它 具 有 适应 性 的 能 力 5 ,类 体 的 各 种 生理 活动 在 兴 脑 肯 喧 制 和 调 项 下， 可 以 随时 适应 体外 环境 和 体内 机 能 状态 的 天 在 开始 进行 体力 劳动 之 时 ， 身 体内 的 各 器 官 77 系统 均 发 生 适 应 性 变化 。 循环 系统 表现 为 心跳 加 快 ; DA D, CoRR MF, MRM. 呼吸 系统 表现 为 呼吸 加 快刀 加 强 ， 保 持 身体 氧气 的 充足 供应 。; 主 腺 活动 如 强 ,; A 利于 散热 等 ,甚至 有 些 反应 在 神经 系统 的 条 件 反射 的 调节 小， 或 通过 第 二 信号 系统 一 一 语言 〈 如 劳动 前 的 动员 六 在 劳动 之 前 即 发 生 了 改变 ， 即 提前 作 好 适应 于 体力 劳动 时 灿 体 需要 的 准备 工作 。 人 脑 的 这 种 和 适应 能 力也 是 任何 桃 器 无 点 伦比 Ho | atta: gives Fy Bb BEA DEE RAW CARR, 到 七 十 年 代 ， 生产 过 程 月 动 比 水 平 已 经 由 单机 、 局 部 自动 化 发 展 到 全 鼻 ; BAB Bets 采用 电子 技术 和 自动 装置 在 电子 计算 机 控制 币 形 成 起 动 生产 线 或 自动 化 车 间 ， 从 原料 进 厂 到 产品 出 天 都 是 自动 化 的 过 程 ， 在 军事 技术 方面 几乎 所 有 的 武器 装置 都 已 淖 动 化 例如 导弹 从 基地 发 射 ， 沙 轨道 开行 到 准确 地 命中 肝 标 # 无 大 驾驶 的 侦察 飞机 从 起 民 、 航 行 、 侦 察 * 返 回 基 地 都 是 自动 化 。 类 上 述 例子 说 明 ， 对 于 自动 化 装置 的 控制 程序 大 大 超出 对 消 数 变量 的 控制 ;而 症 需 要 同时 对 多 个 变量 的 最 优 控制 se; 为 注 足 对 多 变量 的 自动 调节 的 要 求 ， 需 要 设计 可 以 自动 分 析 的 最 优 控 制 系统 。 由 于 自动 控制 装置 是 按照 人 所 规定 的 固定 程序 进行 工作 的 , 它 对 外 界 环 境 缺 乏 自动 分 析 和 灵活 的 适应 能 力 ， 如 果 发 生意 外 情况 ， 机 器 不 能 随机 应 变 ， 结 果 不 是 机 器 桩 十 “工作 就 是 会 发 生 事故 。 因 此 ,要 使 机 器 具有 适应 环境 的 能 力 ， 能 在 外 界 条 件 变化 和 有 王 扰 的 环境 中 实现 最 优 控制 首先 需 使 机 器 对 处 界 进入 的 信息 有 识别 的 能 力 ， 第 二 要 能 “独立 地 ?” 制定 处 理 信息 的 程序 和 根据 最 后 结果 判断 这 些 程序 的 能 力 ， 并 能 选择 出 最 佳 程序 而 达到 最 优 控制 。 这 些 问 题 的 解决 也 促 78 — 进 了 自动 化 科学 理论 的 发 展 ， 由 “经 典 控 制 论 ” RRB BL 伐 控 制 论 2. 它 的 基本 内 容 就 是 设计 和 分 析 自 动 化 装置 的 最 优 PHBA. | pee ya ye PLA MOP RSS, PERLE RA 然 形 式 的 信息 ， 这 是 当前 自动 人 科学 技术 研究 的 重要 课题 之 一 。 电 子 计算 机 只 能 接受 由 光电 输入 机 送 来 的 工 进位 制 编 码 的 程序 和 指令 ， 但 是 人 可 以 借助 听觉 、 嗅 觉 和 视觉 等 感觉 器 官 直 接 感受 外 界 各 种 自然 形式 的 信息 ， 如 声音 、 语 言 、 气 味 、 Me, CF. 颜色 等 ， 所 以 必须 大 力 研 究 制造 对 文字 、 图 形 各 声音 的 自动 识别 机 ， 也 就 是 对 人 的 视觉 、 听 觉 进行 的 大 工 借 拟 ， 有 些 成 果 已 经 开始 应 用 。 例 如 : 图 象 自动 识别 装置 在 军事 侦察 上 可 以 发 现 敌 方 的 军事 设施 ， 装 在 导弹 十 可 自动 寻找 敌 方 目标 ; 在 医学 上 对 忌 电 图 ， 脑 电 图 的 识别 可 以 进行 诊断 而 利于 对 危重 病人 进行 监护 ， 也 可 用 于 sat 对 癌 细 胞 的 诊断 。 此 外 去 对 于 指 人 *~ 纹 的 识别 在 破案 中 也 有 很 大 的 用 加 42 机 器 大 识别 心电图 Ab. 使 机 器 能 够 利用 自然 信息 ， 大 而 具有 适应 环境 变化 的 能 为 ;就 是 要 赋予 机 器 “大 工 智能 罗 即 关于 信息 的 控制 、 利 用 和 转换 的 问题 *。 让 直 动 化 机 器 模拟 人 的 适应 性 ， 具 有 自 适 应 SHEA, 在 目前 也 是 现代 自动 化 科学 技术 研究 的 另 一 个 重 要 课题 。 例 如 “机 器 人 ”就 是 典型 的 代表 。 机 器 人 的 出 现 源 委 二 填 世 纪 六 千年 代 专 用 电子 计算 机 的 问世 ， 把 电子 计算 机 洗 入 自动 机 器 的 反馈 回路 内 ， 使 全 部 控制 方法 比 以 前 仅 有 简 79 童 的 反馈 回路 要 丰富 多 了 。i 计 算 机 具有 高 速 计算 并 能 作出 决 定 的 能 力 # 这 样 就 可 以 及 时 改变 自动 机 器 的 榨 制 程序 ) 最 岳 使 机 器 在 某 种 程度 上 独立 判断 它 同 变化 的 环境 的 相 宣 次 索 FTE “HLEE A WERE RTL BIOL A REAR EB BL 225 FEM LG AIRE RA, WRIA SAS PLL A RIC ED eee ars AB ORE RUBLE A URE.) ATPL AAR A ERBMDE MER EM BOP RAS SE 在 实用 正业 机 器 天 发 展 起 站 SE ORRETREMAS 济 收益 让 目前 休 世 界 工厂 里 使 用 的 机 器 天 已 数 取 页 计 家 和 7 KE, PREAATUR LAME ARTA PORK, (9794 PLEA WRRABFIDD) RHR? Duet A fe Reman. ULI wh ahh RMA NRK: 如果 在 机 器 下 HIRD PRAIA BIW WW Ze eA! AEE BL 力 。 美 国 工业 中 最 常用 的 一 eae) RAs 4; FRANCA EMRRZ IL, MEAL EK RIA AUB Ee aL Ee Sa Hd) BS fA, REBARHMAAR-KIUARBRAS Bs EAM “RMSE” JA, BLAIR EAP Ha Ye. BY aR He IT vit. Hu HERS RRS Pe FILL A ALU LAE, JER RAE SM heb ES AY Be PE BE BS BP mies 机 器 80 Re 人 Pe eS. Cm CU A GE ERR TO iT Lae 2 sh ER woke HT ER 6). RIL DLS Ais BUI Bh FG PERE. 对 EN RL, RDA TE ARE SA TD AY ES ov LARA A TL BAAR Ab 6 AS ye EK fe Do OH 9 He UF Te iE WEG BO ER RR es RDO, IRR OPT 5S BR Ye.) WN ATLA DL SS AR ARAB LM: 1966 年 美 Fi Fd TL 7 Hh He i bo Fe SE PLA DF RL ACV TSG _Le FRY 9) KHER AT HG AR LA A | ARAB. (EEA REE a Se AOR ee EL TRAE TG HP 945 Bla Sy AS HS BL TR SSR BL PR SE Bw BUR SSS ML, Hone TOL AR Rie eH | BH ARERR DRRAMR 4B”, BRL Afi BE AFI hh AEH FARES BIAL MAE. LB AE HS SB 5g A a A I he Bd lS BE EB LSB SEE Ab ia Fit BR EE, EE fir RAPS “aa”. “RA? s SAR” SHARIA Rn Ue Eo BRIT BA, WE “BEA DAB MEAL 37 Bet Ab FAK Hove RTT RL fe. ARE HT Ak As Seda A ASB AD tise T DRA OLR AL BS LIAL Se: DA ee ah 6 JAE 5 RLS AK 9S RE TR Wr As Ha Baa Se Hh See a RE BRB CT Pa Bek es ERRATA ARES LILO A IRE CE BL MR AAG, FARE OLS A alk Be Dae HF i he HABA AR I 3 3 BES AREA SR. ZEB BALPMMLBA, BRABRIL. MRF obo LR S, VARNA TE He ab Ae Bi HEU) 1967 年 由 “阿波 罗 12 81. 号 ?飞船 送 上 上 月 球 ， 字 航 机 器 大 在 空中 实验 室 工 作 大 员 的 控 制 下 ， 可 在 2.23 平 方 米 范围 内 ， 挖 掘 月 球 表面 46 悍 米 深 处 岩 条 样品 汪 并 立即 在 现场 对 样品 进行 化 验 ， 然 后 把 分 析 结 采 发 回 地 球 。 现 在 改进 的 字 航 祝 器 大 有 两 台电 视 摄 象 机 作 腿 睛 有 两 只 手臂 可 以 销 探 和 挖掘 ， 还 有 两 只 可 以 自行 走动 的 脚 s 杭 器 人 在 自动 化 科学 技术 的 研究 中 ， 主 要 集 申 在 天 图 给 杭 器 天 配备 智力 ,这 是 天王 智能 应 用 的 一 个 方面 ， Ren 低 科 学 技术 的 飞速 爱 展 ， 将 在 更 夫 程度 上 模仿 人 的 智能 。 哥 以 说 让 动机 器 能 在 多 大 程度 上 模仿 或 代替 大 ， 这 是 全 量 自动 化 永 平 音 尽 度 。 目 前 的 电子 计算 机 虽然 已 经 有 了 很 天 的 本 领 它 的 应 用 已 三 千 多 种 ， 并 且 还 在 不 断 发 展 ， 但 是 电 隆 计算 PLA AMO AMEE, EMO SARS DER LTA Fie, ATRRATH EUSA, BE we 的 千 能 自动 机 。 模 拟 智能 或 称 大 工 智能 ， 是 探索 和 模拟 天 的 感觉 和 思维 过 程 规律 的 科学 ， 它 是 在 控制 论 、 TOE EE, 起 理学 等 学 科 的 基础 于 发展 起 来 的 三 门 新 的 边缘 各 学 蕊 声 的 志 要 研究 肉 容 包 括 沁 感觉 和 恩 维 模型 的 建 壹 蚤 即 研 究 天 的 学 习 : 探索 ， 联 想 等 活动 的 过 程 和 栅 制 风 用 杭 器 进行 图 象 识别 和 物体 识别 ;用 计算 机 录 解 问题 了 证 明定 理 尖 理解 天 的 语言 等 员 尽 管 目前 对 于 天 类 思维 .学习 和 志 估 等 复杂 的 神经 生理 过 程 的 庆 误 还 很 不 清楚 ， 真 实 前 模拟 还 有 图 难 允 但 是 人 的 愿 维 也 是 物质 运动 的 一 种 形式 ， 最 终 是 可 眉 被 碎 们 逐 步 雇 识 的 ， 也 是 能 模拟 的 。 在 神经 解剖 学 、 和 神经 生理学 和 电 HEEB AEE HEP, BEAN Bh SH OES fe): RE FA, be GE GG HERR EL, RE TE Ki FOLIA. AAA phase ae A 82 鹏 的 机 器 配 经 取得 很 大 的 进展 ; 已 经 制 成 学 习 机 。 识别 机 剖 译 桩 等 智通 计算 机 2 例如 :学 习 机 可 以 模拟 人 的 学 习 能 力 ， 经 过 一 个 时 期 的 ;“ 学 习 忆 能 自动 分 辨 海豚 和 潜水 艇 的 声波 ; 翻译 机 在 六 千 年 代 中 期 即 已 问世 ) AT aR REST BD ME. tks 香港 中 文大 学 的 中 译 英 翻 译 机 已 将 我 国 的 数学 SEHR 物理 学 报 译 成 英文 翻译 一 页 挫 需 要 15 秒 钟 5 1982 年 到 酒 雪 日 苏联 发 射 的 礼炮 :7 号 空间 站 安装 了 -个 新 型 的 自动 导航 系统 ， 称 为 德尔 它 后 虽然 在 外 形 王 丝毫 处 象 幻想 小 说 中 斯 描 绘 的 机 器 人 ; (ERE SRE ET FOE 打 平 航行 的 信息 。 例 如 空间 站 在 运行 中 进 大 与 离开 阴影 的 时 i), FER A ial PISA A. 空间 站 通过 地 球 赤道 主 空 时 间 刘 此 外 还 承担 控制 站 内 电源 和 航行 定位 揭 工 作 这 样 就 大 大 地 减轻 了 字 航 员 的 工作 量 。 人 而 些 智能 电子 计算 机 可 以 证 明 泌 何 定理 如 平 棋 ， 制定 作 战 方 案 、 自 动 诊断 疾病 等 让 总 之 ， 随 着 仿生 学 和 电子 技术 的 发 展 ， 各 种 类 型 的 智能 机 肯定 会 不 断 地 向 高 级 型 式 发 展 。 可 以 预见 ， 在 不 久 的 将 来 ， 将 会 出 现 进一步 模拟 人 脑 智能 的 “电子 脑 罗 模仿 人 的 视觉 和 听觉 的 “电子 眼 ” 和 “电子 耳 ” 以 及 模拟 触觉 和 本 体感 觉 的 、 具 有 动作 灵活 协调 的 “机 械 手 ? 和 行走 自如 的 “机 械 脚 5 那 时 将 会 出 现 比 现在 工业 机 器 人 高 明 得 多 的 “智能 机 器 天 党 它们 能 直接 看 图 识字 ， 会 分 辨 五 颜 六 色 ， 可 以 听 懂 人 的 语言 ， 它 们 能 够 自己 识别 工作 环境 和 控制 对 象 , 可 以 做 出 判断 和 决策 ,能 够 适应 环境 条 件 的 变化 。 它们 可 以 在 大 发 出 的 各 种 口令 的 指挥 下 ， 替 人 到 深海 里 去 探 We. 采油, 也 可 以 到 宇宙 空间 的 各 个 星球 上 去 进行 科学 考察 ， 豪 无 疑问 ， 智 能 机 器 人 的 广泛 应 用 ， 将 把 自动 化 科学 技术 提 83 高 到 一 个 条 新 的 阶段 。 并 将 极 大 地 提高 劳动 生产率 。 ES Me, AE CBREAL EA” BSAA AR AEA ORE, HI “RE? RO BARRED, ees REBATE OA BE a J BR MEARE PAE. AAG Oe MF RH BP EMABRE EE, WARK FRIES OK is fot FRA. EAR SRN RE ETE ORE?) PREBLE AML HE BIE KA OF AAR DD BRS Bl HERRBAMRSHG LEM. MAAR RABE DRL REAK SERENA LHR VME .. ARERR EH KGET RAHEEM REED. REAR MEDLEMMAMZLARH. 因此 元 春 自 动 化 科学 我 术 高 度 发 达 的 未 来 ,人 类 认识 和 控制 自然 的 杰 领 类 尖 地 加 强 李 ; PS BL RT ARR “AEE BE? AAR AIR” cgomgnenaiemipheiniieigtctrn ER a A RICUGR A CA RA ES ETE ee RE tH Sat BM Ac nt SRE et O 中 re RAY AEA lh? veo RY seo Re a Ae OCA Bit Se a Sas aa ERE i de J PSC a Hirst Cie 1h SO Be Heese OS Bice A SA fh RASTA RU Hes SY Gee Pl SC HERA adh PLE nS i . poate ¢ 8&4 D> Cpa 5 re al et th . ; - aa epg te BA p 1% 与 仿生 ， 全 wpa apy: .当代 生物 学 在 物理 学 ee ae 亲 退 下 疼 展 武汉 和 向 观 认命 活动 的 玉芝 人 到 认识 讨 熏 活动 揭 本 质 呈 恩格斯 早已 指出 ; “生命 是 蛋白 体 的 存在 方 式 中 这 种 存在 方式 林 质 上 就 在 于 这 些 蛋白 体 的 化 学 组 成 部 分 的 不 断 的 自我 更 新 ;4” 因 此 ,生命 的 物质 基础 是 蛋白 体 ， 而 生 PERE A SASL, TRA KE et THAR. GA SE DAF. GRAD BOR TAIL 笠 其 至 几 十 沪 外 原子 组 成 分子量 有 放 万 直 诗 几 百 万 之 多 ， ENA Aas, TG ATS SARE. Bk, AOE th Tat WL BREAD TRE T RITE FAS BREAKER AIS, TEE ee TERT 1 VREE RAD PE, EOE BAAR IEF FEA Was 5 Uy HE —— FEE SU. EE AMSA RAVER RAR. HEE DASE SFE ER BR. 例如 ， 对 于 遗传 物质 脱氧 核糖 WW CDNA) 双 股 螺旋 结构 的 发 现 ， 对 于 酶 作用 原理 ASR ARS ER. i, RRP SH Me, BEAD RY FE SDB NKAs HAAS PARIS A 开 谷 成 y 学 其 是 在 我 国 首先 实现 牛 胰岛 素 的 蛋白 质 全 化 学 的 开工 合成 等 已 经 取得 了 许多 重大 成 果 。 分 子 生 物 学 的 兴起 不 : 权 推 动 了 生物 学 的 例 面 发 展 ， 而 且 对 其 它 学 科 世 产生 了 重要 、 85 的 影响 ， 尤 其 已 经 渗透 到 化 学 的 各 个 研究 领域 。 分 子 生 物 学 的 课题 也 成 为 化 学 各 领域 的 研究 对 象 。 生物 体 经 过 亿 万 年 的 进化 ， 在 其 生命 活动 申 已 经 形成 记 有 关 进 行 化 学 反应 、 能 量 转换 :信息 传送 和 物质 输送 等 一 整 套 的 卓有成效 的 技能 。 它 们 有 具有 高 效 、 特 异 和 条 件 温 和 等 特 点 ,有 当前 一 切 大 工 的 化 学 工艺 过 程 所 远 远 达 币 到 的 优 越 性 。 例如 :植物 叶子 中 的 叶绿体 能 高 效率 地 利用 旧 光 能 把 三 氧化 矶 和 水 等 简单 的 化 合 物 ， 通 过 光合 作 骨 制造 戒 结 构 复 杂 的 矶 水 化 合 物 。 单 细胞 的 根瘤 菌 ;借助 于 固 气 酶 的 生物 催化 作用 5; 在 常温 、 常 压 的 条 件 王 ,就 能 捕捉 空气 中 的 氨 素 形成 气 未 头 和 动物 体内 的 细胞 膜 能 敏捷 地 接受 和 发 出 信和 忠志 改变 着 细 施 的 活动 水 平 ， 而 且 能 把 细胞 需要 的 物质 吸收 进来 ,把 凑 物 及 时 排出 ， 保 证 细胞 进行 有 条 不 紊 的 新 陈 代谢 等 等 :以 二 这 些 生物 技能 就 是 在 生物 大 分 子 中 进行 的 。 因 此 计 以 生物 大 分 子 作为 生物 原型 进行 深入 研究 ; 阐明 其 功能 特性 员 必 将 为 化 学 各 领域 内 寻求 新 的 技术 原理 ， 创 造 新 的 化 学 正 艺 开 谷 十 分 有 效 的 途径 。 于 是 ， 在 分 子 生 物 学 迅速 发 展 的 推 动 下 ， 在 化 学 和 第 物 学 之 间 又 产生 了 一 门 新 的 边缘 科学 = 二 化 学 仿生 学 5 化 学 仿生 学 是 在 分 子 水 平 上 模拟 生物 的 功能 羡 将 生物 的 功能 原理 用 于 化 学 ， 借 以 改善 现 有 的 和 创造 甸 新 的 化 学 原理 和 工 Ze AV) as 化 学 仿生 学 是 一 门 新 兴 的 科学 ， 它 的 赋 究 不 仅 渗 通 到 分 子 生 物 学 的 各 种 研究 对 象 ， 而 县 最终 是 对 各 种 生物 过 程 的 化 学 模拟 ， 尽 管 人 们 对 于 化 学 仿生 学 的 研究 范围 意义 和 发 展 “ 有 和 不同 的 认识 ， 但 是 已 经 有 越 来 越 多 的 化 学 王 作 者 以 原来 的 化 学 学 科 基 础 为 出 发 点 * 进行 探讨 模拟 生物 过 程 的 各 种 可 能 ， 86 。 性 55 喜 目 前 已 经 呈 展 的 工作 范围 和 设想 ， 化 学 仿生 学 的 研究 B AAA os ene AA 78 BY RW ie -目前 在 石油 工业 化 学 工业 的 生产 过 程 中 都 广泛 采用 供 Heil. 催化 剂 能 够 使 一 些 化 学 反应 的 速度 加 快 ， 而 它们 本 身 在 化 学 反应 结束 后 却 没有 什么 损耗 ， 也 不 发 生化 学 变化 ， 这 种 能 使 化 学 反应 加 快 的 本 领 是 催化 剂 的 一 个 特点 称 为 “ 活 性 ”催化 剂 的 活性 越 高 ， 被 它 催化 的 化 学 反应 速度 就 越 快 。 催化 剂 的 活性 是 个 很 复杂 的 问题 ， 许 多 原因 现在 还 不 很 清 想 ， 有 目前 比较 普遍 的 看 法 认为 ， 在 有 催化 剂 的 化 学 反应 中 ， 当 参 如 于 应 的 不 同 分 子 在 互相 进行 化 学 反应 之 前 ， 催 化 剂 就 先 和 反应 分 子 接触 8 发 生 二 些 特殊 的 物理 和 化 学 作用 ; 使 这 些 反 应 分 子 的 化 学 结构 发 生 了 有 利于 起 化 学 到 应 的 变化 ， 然 aa Smee. 因此 催化剂 也 是 积极 参加 化 学 反应 的 5 但是 在 又 应 之 后 还 能 从 反应 中 着 脱出 来 ， 仍 然 保 持原 来 WORE. Gilda: : 布 室温 条 件 下 ,把 氢气 和 和 氧气 按 2 :1 的 比例 放 入 玻璃 瓶 内 密封 ， 即 使 经 过 很 长 时 间 ， 也 只 有 少量 的 氧气 和 氧气 发 生 反应 而 生成 水 。 但 是 ， 如 果 在 瓶 内 加 从 少量 的 白 金粉 未 ; -: 绝 大 部 分 的 氮气 和 氧气 九 乎 立即 化 合成 水 ; :而 白金 - 粉 床 的 数量 和 质量 都 没有 发 生 改 变 ;催化剂 的 第 二 个 特点 是 对 所 催化 的 化 学 反应 方向 有 选择 性 使 化 学 反应 治 着 某 一 方 加 进行 1 例如 5 把 乙醇 的 蒸气 通 人 和 玻璃 瓶 内 , 当 加 热 到 700*C 时 >- 己 醇 就 会 发 生 两 个 不 同 的 化 学 反应 。 共 中 80% 的 乙醇 分 多 为 妃 醛 和 气 气 ;其 余 20% 揭 写 醇 被 分 解 为 乙烯 和 水 。: 87 ',CH;CHO + Hy" ws £1 €80%) morc Gill Ol aaa “CH=CH; + H,0' (20%) 四 den Ee AS Hb IA 28 IB PEE HEA, 在 350°C ， AES EAD CREA, SCE BSE oP mA Ba) 2h HE FAA, FRE MIA BI 250°C Mt, CHA MA MDT HE te, ae me %; : ive ELE 7 Be EEN MS Sh r} aX i CHO eC He hy “sso USES SR ye Sy eh appa aie hes mest OH SCH CHO AE Nae errerinie a a 250°C. wre it ATOR ORI SALT: — 5c By Ha He EN 欧 方 向 进行 。 在 工业 生产 中 》 : 众 化 剂 的 选择 性 越 强 % REED ERMA MORES, TRIP RMS 4 Aa RS 此 外 ,催化 剂 在 长 期 使 用 中 , ee Ae ese aE ge, 表现 为 活性 降低 ， 如 果 催 化 剂 的 稳定 性 越 好 9 BERS ET fala, Ea 能 指标 。 ki 33) 18. ee RE At 在 二 een) et ne AS A. TBAT Be. 7S RDB, Oe A AP LE LIMA TE ACER, SI PRD) OR TEAS DOB} AE POU, A RSP. A RR Beet aS eT ACs ECF FY be FR ET Se BER ES Fe) Se EAE BOR AAA AEA Pp a SE 3 竹 渤 寄 示 示 下 产 中 使 用 的 催化 剂 一 般 都 需要 在 高 压 和 高 温 条 位 让 浅 能 受 释 性 化 作用 ， 消 耗 大 量 的 能 量 。 然 而 在 生物 界 ， 生 物体 肉 短 时 若 88 六 都 进行 着 化 学 民 应 ) FE iy BREA ia HOA, 请 新 陈 入 谢 就 是 图 成 千 种 的 化 学 反应 所 组 成 ， 这 些 化 学 反应 USP RIE ATE EI, ;区 们 是 在 天 然 的 符 物 催化 剂 一 一 酶 的 作 用 下 完成 的 。 酶 是 一 种 和 白质 ， 它 作为 一 种 生物 催化 剂 生 一 CNC RIL BRST Bae niHRR PGR oyhap ae tape b ne km mE ERICH ERE Ae HS. PURE LAR AK, HE EL SEGA E, HERE Bh RL Tt I LD OR, ROR ETE OR LE RIC BL EC BOR PR. 有 Hincirenapenteeninoedararihitadiniabiaieiedi a ROT IT C0" ~ 10) . 其 二 为 专 一 性 。 URIS 在 细胞 内 有 成 税种 酶 二 它们 都 参加 时 刻 进行 着 的 上 千 种 的 化 学 反应 ， 但 是 BRIS DCE EE Rd BE SH A UL IE SE Rm, REMIX BIAS AES, GEA REEL “是 最 困难 的 问题 。 PAUL, ARC SORE HIE MS. 此 :天 ,三 酶 的 和 专 三 性 还 表现 在 每 二 种 酶 通常 只 催化 一 种 反应 专门 商 一 个 特定 产物 的 方向 进行 ,完全 没有 副 反 应 发 生 ， 这 是 现 在 卫 业主 产 中 德 玫 的 催化 剂 远 远 不 能 比拟 的 。 :国志 LNG HOBO FE LEB A, 它 不 象 工业 催化 剂 那样 (a RR, WEE REE PRE EE RAE ORRROME A s FETE PE, BRO RT Be DL Pe ey oat) ER HT BURT Pe OE SA RE LE A ORE “$2500° O'R A200 3008 FREE RE. UE See i WA Pt tee Ree RUPERT, 站 由 9f89 覆 作为 生物 催化 剂 显示 出 比 非 酶 催化 剂 有 极 大 的 优点 。 如 果 我 们 能 深入 了 解 酶 的 催化 原理 ;应 模 仿 这 些 原理 来 制 迁 化 学 工业 上 广泛 应 用 的 催化 剂 ， 那 将 会 引起 化 常 工业 :一 场 “ 革命 。 TA REL aS 关于 人 类 对 酶 的 应 用 , PR hE Tae Bik ae 担子 用 酒 曲 酿酒 的 技术 ， 它 的 科学 原理 就 在 王 利 用 酵母 菌 等 微生物 所 产生 的 酶 对 粮食 有 果 六 等 配 酒 原料 由 的 尝 粉 和 糖 类 进行 催化 作用 ， 最 后 得 到 酒精 和 一 氧化 矶 ”这 种 技术 寺 7 查 沿 用 到 今天 。 目 前 在 一 些 食品 和 制药 等 工业 部 问 应 用 的 酶 制剂 是 从 生物 细胞 申 提取 出 来 的 ， 但 是 数 最 有 限 ,; 提取 和 纯化 的 手续 也 很 复杂 ， 对 于 大 多 数 难以 得 到 的 酶 ,应 用 到 王 业 中 去 -的 唯 于 办 法 ， 就 是 对 酶 进行 人 工 模拟 。 Ga SECU, BALD TEL Ti, MR, Ais HSE BER — HH 5 TE BR BY oy Fa 下 上 万 的 硕 子 、 人 它们 各 自 处 在 三 维 室 间 的 二 定位 置 有 形成 :特殊 的 结构 。 醇 的 结构 十 分 复杂 ， 如 果 用 非 生 牺 的 方法 党 模拟 梅 的 作用 是 很 困难 的 。 其 实 并 不 是 整个 酶 分 也 都 与 催化 [在 用 有 直接 关系 "其 中 与 催化 作用 有 关 的 只 是 它 的 二 部 分 ， 即 活性 部 分 。 央 此 ,| 大工 模 拟 酶 主要 是 模 制 官 的 活性 部 这 就 需要 首先 把 酶 的 催化 活性 部 分 搞 清 楚 ,; 包括 那些 集团 ; 然后 以 简化 了 的 化 学 模型 来 模拟 酶 的 催化 反应 滞 最 终 制 备 出 象 酶 一 样 可 以 在 常温 常 压 下 进行 催化 作用 的 大 工 催化 剂 目 前 国内 外 很 多 科学 工作 者 正 积极 探索 这 些 生物 健 鳄 剂 的 秘 PIG oie ER ty He AH ge AR et 1， 用 人 金属 络 合 物 模拟 酶 。 对 于 酶 的 识 信 研究 上 现 员 年 多 90 HBS AIR. 例如 过 氧化 氨 分 解 酶 ; 过 氧化 物 酶 等 都 含有 铁 ， 传 递 砍 的 酶 含有 镁 ， 分 解 遇 三 氧化 矶 的 酶 含有 铬 ,分 解 蛋白 质 的 酶 世 可 能 含有 铸 ; 固 氨 酶 含有 钼 和 铁 等 等 。 现 在 马 «BEM, RES RATE ZR Tee I 6, ENERER MPRA POON. 这 些 金属 活化 «RHEE —TAOFRTRRADHERKH BARDOT 体 ) bP, 使 模 氢 生 牺 很 化 剂 的 研究 工作 找到 子 二 条 极 有 可 能 卖 现 的 途径 因此， 目前 对 金属 络 合 物 模拟 CHILL RAS. Mist RoTKHFM= Ze fi BP Wy , RIL ik AO A IE EO KOIKE HY, BEE AE SP DANES EA MRE He SG AEG BUT TE. He UE RAHI, RAHA AL EMR Ate RACH, TEE FE BAH WES LSD, 在 固定 二 BCR, BRA RBA DHL OES A iH RK. SKE, 模拟 生物 回 气 和 生物 国 碘 是 具有 巨 天 经 济 意 LAPSE RERE, AME ARM AR TH HERA, RETRO MILAR, TORRES RG 76 BEAL APE, LALA UC HE BLA He LAR ML REDHROAMARDWWRE. 6 2. AF BDL PPR ABAIUT OL-PF IU 万 甚至 平 千 万 的 化 合 物 称 为 高 分 子 化 合 物 ， 简 称 高 分 子 。 天 然 的 纤维 素 、 蛋 白质 \ 核酸 、 橡 胶 等 都 属于 高 分 子 。 :现在 已 经 能 儿 枇 学 方法 大 工地 制造 出 许多 谷 成 高 分 子 j 而 县 开展 了 高 分 子 功能 的 研究 ;高 分 子 具 有 地 绝缘 性 ， 可 以 进行 离子 交 换 。 目 前 对 高 分 子 可 作为 催化 剂 和 高 分 子 半 透 膜 的 研究 工作 十 分 活跃 ， 光 其 结合 医药 用 高 分 子 的 研究 正在 逐 洛 形成 一 门 2 7 新 兴学 科 一 一 高 分 子 仿生 学 ere Sf i A Se GEE BGR RGAE ’ he 进行 了 大 量 的 系统 的 王 作 总 其 中 特别 重要 的 它 关 是 高 今 子 模 WS RM. HERB AA eK ER Tiki, Te 表面 员 这 种 催化 剂 的 优点 在 巴 可 以 改变 金属 原 孟 周围 各 种 到 同 的 催化 茂 能 团 ， 以 调节 对 催化 底 物 的 作用 居 或 增加 反应 速 ERAS RANT ROMA RAE 化 剂 外 ， 也 还 可 以 将 微生物 发 酵 和 制 取 的 酶 蜀 高 分 备 结 合 起 ， ae a a it ee | 溶 于 水 六 DAR OY SALT IML, ae i. REET RARER Re 1974 年 有 些 国家 就 以 玉米 淀粉 为 原料 ， 经 固 丰 葡萄 糖 异 构 酶 RS WRT. TEE PEGE POMRS EASA ASR 0 SEF BOLE OB SE 除了 以 上 两 个 方面 外 ;近年 来 对 于 些 夫 环 化 合 物 作为 酶 模型 的 研究 也 受到 了 本 睛 泛 的 重视 = 在 酶 催化 作用 特异 性 的 高 发 下 ; 类 们 已 经 成 功 地 合成 阿 寺 类 具有 光学 活性 的 化 合 物 ， 它 可 以 催化 不 对 称 合成 反应 j DRIES 异 构 体 等 ， 到 1973 年 人 们 就 已 合成 子 包括 气 梳 等 原 革 在 的 揭 大 环 化 合 物 二 百 多 种 。 这 类 大 环 化 合 物 还 可 用 来 分 离 稀土 “ THs 用 作 特 殊 的 反应 试剂 以 及 作为 离子 选择 性 输送 的 , “过 PY 模型 而 广泛 地 用 于 生物 膜 的 研究 中 5 ee ey ， 总之， 利用 酶 的 作用 原理 ， 模 拟 合成 各 种 具有 高 效 s: 专 一 和 选择 性 强 的 非 酶 催化 剂 是 当前 和 未 来 化 学 工业 中 重要 的 课题 之 :也 是 化 学 领域 内 核心 问题 之 一。 对 于 生物 体内 化 学 反应 的 模拟 ;对 化 学 五 业 将 会 产生 巨大 的 推动 作用 吕 另 一 192 7 ili» 要 和 的 而 实 开 作 起 六 有 二 居于 卫 的 结构 与 功能 关系 的 深入 了 解 。 中 二 二 一 (2) 2 aR 生物 膜 是 指 包围 整个 细胞 的 外 膜 ， 对 于 真 核 生 物 还 包括 处 于 细胞 内 具有 各 种 特定 巧 能 的 细胞 器 的 膜 ， 如 细胞 核 膜 ， 线粒体 膜 ， 内 质 网 膜 ， 溶 酶 体 膜 等 等 ， 称 为 细胞 内 膜 。 生 物 蜡 是 生物 细胞 的 重要 成 分 ; 它 具 有 复杂 的 细微 结构 和 各 种 独 等 的 功能 。 对 于 生物 膜 的 研究 以 及 构成 生命 现象 本 质 的 许多 问题 ， 如 能 量 转换 、 胸 质 这 转 ”代谢 的 调节 控制 \ 细 胞 识别 、 信息 传递 等 都 有 密切 的 关系 。 | | REAR E2 HF UN-EIR HTO-~80%) “ERIE ALINE, 我 者 区 分 细胞 内 各 细胞 器 的 取证 ， 而 且 作 为 二 种 结构 为 细胞 提供 下 细胞 空间 内 的 支持 骨架 ， 使 酶 和 其 疡 的 虱 质 有 秩序 地 排列 在 细胞 内 外 的 “骨架 ”上 ， 因 而 保证 FG AE RAS SE HEA ALL EF AR 保 iP Ta EER. ti RAR, “Cha ERA PR, UES Ab EO. 核酸 和 水 。 其 中 蛋白 质 AVE6OW75% , WHA H2S~ 40%, HEA 5 % 左 右 。 其 中 脂 类 牺 质 规定 膜 的 形态 ,: 蛋 帕 质 则 赋予 膜 的 特殊 功能 。 蛋 白质 与 鹏 质 揭 比 俩 在 不 同 的 细胞 膜 是 不 同 的 ， 对 于 功能 复杂 的 膜 deo aol ee he ee ee eee ee AMBRE OF te BEB clusions) Ruska ane tan BRR BED. RSE. HE MDI HP A BNE 2 WLS FORTHE SL, 93 re (WAS EAE :, HONS: | As | Hcy Ra BER Be SE lal tein Hol EBS tm ， {Rees 朝 着 膜 的 内 部 这 样 就 形成 了 膜 的 基本 结构 ' 图 48)5 蛋 和 外 志和 酶 等 瞧 物 大 FLA: Bed te MRIS LE aU OTP UA eB, 有 OEE PE CERES = BA EAS Gh, FESR FSP ho Ee i kee 糖 类 物质 + 这些 蛋 白质 、 下 全 上 的 人 和 TEER, MEK F— AP is RAS. pemmnerananninene 酶 : re 上 髓 前 对 于 生物 膜 基本 结构 的 了 解 ， Rh ee: one GA ESR EIU HORE Hy, Ga Raa: ROL g te oe 糖 类 、 ep as iaioaiieihisieidina DTG RA LL BBS prerporereaiwealeo 碘 浓 度 提高 竹 倍 以 上 。 人 体内 在 颈 部 气管 的 两 旁 有 二 种 内 分 泌 腺 ， 称 为 早 状 丸 ， 息 状 腺 的 丸 旋 细胞 对 平 克 也 基 有 很 强 欧 9 未 EMR, Pee. ER PRES Re BRIE RES HEA 2H 25-~50: 1, RAISE, 4 RR Se Bl ha BH Re, “EPO AGT a AE BT BASSO Aine AT A, BF BFA AES FE Aa Sb oe BE EE A. 细胞 内 钾 离 Eph BE Ee A ia a ae Ee St AE EH 1A Sb e953 Ait TE EAB BR AN he BE Ae SPR Se TRIB AT ta AY) AH AA A BE Jed Bd ev FP eee, Ese EAA Ah AL BAND A A IRR LEETEPRE BaS. Bob ebay Fr FE AN AN ae EW be TE A Sb TR ERS. {AE AS oe ROR EE, PAE eR Ee SCe ES Rin eh oe py RE A HER A HS Phe EE TE BV Hoo 48, As 5 ks AE BE AE RE ET. AN FA Pec. HEA, PRaR RE Hy wh Ea et A OR EA RSA. KAR RE FE AN RHE RE aH, RAD 省 记 或 分 离 物 质 的 化 学 工艺 开辟 新 的 途径 。 例 如 : 制造 出 大 各 航 的 大 着 模拟 生物 膜 作 为 一 种 容器 的 衬 壁 ,然后 将 容器 放 在 海水 里 ,就 犹如 聚宝 盆 一 样 从 海水 中 浓缩 我 们 需要 的 物质 ? 或 者 利用 另 一 种 大 造 生 物 膜 专门 分 离 出 海水 中 的 盐分 ， 而 使 海水 淡化 ; 或 者 用 人 工 模拟 的 噶 来 处 理 各 种 污水 等 等 。 因 此， 生 贩 膜 在 物质 转 庆 、 流 缩 和 分 离 等 方面 的 能 力 使 化 学 工作 者 感到 惊奇 和 兴趣 。 Wai 物 鞭 是 怎样 通过 膜 呢 ? . 从 膜 的 基本 结构 来 看 ， Ae SURI FRG Hea, 膜 的 中 间 区 是 由 磷脂 分 子 的 脂肪 酸 碳 氨 链 形成 的 非 极 性 区 ， 它 对 也 水 溶性 物质 是 不 相 容 的 ,这 个 非 极 性 区 对 于 金属 离子 ` 糖 、 95 氨基 酸 等 物质 是 起 着 阻塞 作用 的 ， 犹 如 一 条 大 河 挡住 PAE 物质 进 六 细胞 内 。 要 过 河 就 必须 解决 船 或 桥 的 间 题 三 大众 对 手 细胞 膜 传递 系统 进行 广泛 而 深入 的 研究 后 发 现 江 在 膜 中 存 在 着 大 分 子 的 载体 蛋白 ;这 就 好 象 发 现 陡 船 一 样 罗 各 种 载 休 蛋 自 都 各 自 具 有 专 一 的 功能 ， 其 中 有 些 蛋 自 还 有 催化 活性 元 也 就 是 酶 。 它 们 可 以 专 二 性 的 “装载 ”各 各 的 和 货物 全 把 它 们 “摆渡 ”过 膜 的 非 极 性 区 而 运 到 《彼岸 ”, 将 “货物 外 年 来 2 完成 子 水 溶性 物质 通 透 膜 的 过 程 。 近 些 年 来 大 们 己 经 分 离 内 某 些 载体 蛋 年 ， 它 们 的 分 子 量 大 约 为 30000 去 右 弓 体 蛋 自在 膜 内 外 两 面 摆动 ， 被 运送 的 物质 可 以 与 载 休 蛋 自 形成 可 逆 性 : HAA: 每 种 载体 都 有 一 定 的 专 一 性 EA GAM” Be 答 送 的 离子 或 其 它 物质 。 当 被 输送 的 物质 靠近 膜 时 汗 即 被 载 “俘获 ”形成 络 合 物 。 络 合 物 通 过 膜 摆动 到 膜 药 另 一 侧 RF REE I) NSA Dh BR, sone oneeroreemr 这 类 输送 过 程 称 为 “促进 输送 3 促进 输送 过 程 是 顺 着 被 输送 物质 的 浓度 差 进行 %4 砚 质 被 输送 的 方向 是 生 浓 度 高 的 一 侧 向 低 浓度 的 一 侧 .载体 蛋 自 摆动 所 需要 的 能 量 来 自 热能 ; RTI RAS sk I Be 也 的 微小 变形 ， 并 不 需要 从 代谢 中 消耗 能 量 .| 吉 体 蛋 自 促进 : 答 送 的 效率 是 很 高 的 ， 有 人 详细 研究 了 信鸽 认 中 红细胞 席 对 : 葡萄 糖 的 促进 输送 ， 该 载体 蛋白 的 分 子 量 为 药 0003 每 洒 载 体 HED Bh (E18 1804 WED Foi A AE DRA Ra, (eee EAS SF Hh eA aA OSS AB, ik Py RE IR UE 春 浓 和 度 差 进行 的 。 这 类 输送 过 程 称 为 “主动 输送 为 而 庄 要 少 : 杜 代 谢 能 量 。 如 果 在 主动 输送 过 程 中 停止 能 量 供应 ea 96 凑 就 转 索 成 促进 输 凑 ;使 膜 内 高 浓度 的 物质 顺 着 浓 坊 差 的 方 疝 将 物质 输送 变 细胞 外 ， 坦 至 被 输送 的 物质 在 细胞 内 外 的 泊 HEARSE IE 两、 三 2 ncentPNR ag Shae GRAAL RNR? BAe MRT) RAO TBR, AERO. BARE MEA wR — TE, RRR Sate, Re CRS) RAHA. OAT SHAE AE DN ATE HAE, 创造 出 选择 性 强 ， 高 效 的 分 Qe, 水 权 具 省 重 要 的 理论 意义 ) WAALS Dh hae 大 的 实用 价值 5 目前 在 模拟 生物 膜 的 “促进 输送 ”和 “主动 葵 送 ”动能 方面 地 得 … 些 进展 ， 利 用 流民 技术 达到 了 对 气 人 痪 小 液 让 离子 的 择 选 性 分 离 的 目的 。 己 : SEU RCE JE SA -L--4e Pee de 生物 膜 “ 促 进 输送 ”. 为 基础 的 新 方法 、 新 技术 。 在 液 膜 中 加 入 适当 的 功 人 分 子 后 ， 大 大 提高 了 液 膜 的 诊 透 率 和 择 选 性 ， PRTREMMARR. 例如 8 OTH CIR RS is =BReh, BRwH-Beeeeh, 膜 的 二 侧 是 酸性 溶 Wi, BMRA, JUS RRA TL. 由 于 搞 和 革 素 不 易 溶 解 于 酸性 或 碱 性 溶液 中 ; 因此 , 它 可 以 留 在 膜 :3 | ae llama da pease ie, eT ABD A REL a, i “a bOF AMER Ae ARNE DES RGA ROME REET WG A RANIR AML. AGF EF pew DRC D BS, FIR, RS HU HE Ve Bee ay WUE Ry. CO, + CO," + H,OS=*2HCOs-te 97 进 三 氧化 矶 韵 输送 。 在 253C 时 ;CO OO: 分 离 系数 达到 1500。 这 一 研究 已 经 成 功 地 应 用 于 空间 技术 ,: VARA RARE 中 的 二 氧化 矶 。 此 外 ， 关 于 硫化 氨 。 — it ia a ACs Wy He PEE HIE RRR TIE ew, se JB, AL BOL Yi i i hey RAR AFiLSoe, Hii EAs RAS RES Bk, 为 化 学 王 作 者 实现 高 效 ， 快 速 , 专 元 分 离 上 的 开辟 了 一 条 新 途径 s; 大 们 可 以 根据 不 同 的 分 离 对 象 而 设计 不 同 的 在 液 膜 中 进行 的 平衡 反应 BARR. DEERE o Al 以 预料 液 膜 分 离 技 术 将 在 气体 分 离 、 海 详 资源 的 开发 利用 、 微量 元 素 的 提取 、 特 殊 的 化 学 分 离 以 及 污染 的 控制 等 各 方面 发 挥 巨 大 作用 。 open HEBD At AE NER ATE Bw (2) BMRA eae” ZEW WERE, RAPES ARR. rae HEL VEERALS, HVC Abe Alle A 们 正在 研究 和 各 和 由 站 尖 作 民间 名 洒 列 明和 于 生 汪 能 率 以 及 扩大 能 量 的 来 源 。 ee A aS i i Je EJ 行 光合 作用 ， 或 者 是 象 动物 那样 利用 食物 通过 -一 系列 的 氧化 反应 而 获得 能 量 ? 实则 动物 大 食物 中 获取 的 能 量 也 间接 地 来 自 杰 阳 能 的 转换 。 太 阳 能 在 地 球 上 的 各 种 能 源 中 二 有 特别 重 要 的 地 位 。 太 阳 向 四 面 八方 辐射 的 热量 仅 有 二 十 三 亿 分 之 一 达到 地 球 大 气 的 最 高 层 ， 并 且 还 有 一 部 分 被 大 气 反 射 和 消耗 在 空气 的 加 热 上 ， 然而 每 秒 钟 到 达 大 地 上 的 总 能 量 还 高 达 80 98 a a — a 万 亿 千 瓦 。 因 此 ， 太 阳 能 是 地 球 上 可 以 获得 的 能 够 连续 供应 的 最 天 能 源 。 直 接 利用 太阳 辐射 能 有 三 种 基本 方式 , 即 光 - 热 转换 ; 光 - 电 转换 ， 光 -化 学 转换 其 中 光 -化 学 转换 是 利用 太 阳 辑 射 能 的 最 主要 最 根本 的 方式 ， 绿 色 植 物 的 光合 作用 就 是 光 - 化 学 转换 过 程 。 因 此 , 仿效 生物 体高 效 地 利用 太阳 能 的 能 力 ， 蕊 成 为 引 人 注 目的 问题 。 它 的 重要 意义 在 于 利用 地 球 以 外 的 能 量 一 一 太阳能 ， 把 能 量 消 耗 过 程 中 的 氧化 产物 一 二 氧化 矶 和 水 ， 再 重新 合成 可 以 被 利用 的 物质 。 所 以 研究 和 人 工 模拟 植物 的 光合 作用 将 为 扩大 能 源 找 到 一 个 新 途径 。 此 外 ， 动物 和 植物 进行 能 量 转换 反应 所 利用 的 能 量 来 源 虽然 完全 不 同 。 但 是 它们 的 基本 过 程 却 非常 相似 ， 动 物 和 植物 都 是 在 一 系列 酶 系统 的 催化 作用 下 最 后 生成 三 磷酸 腺 昔 〈ATP)， 它 是 生物 体内 的 一 切 生 理 活 动 的 直接 能 源 。 生 物体 内 还 非常 有 效 的 进行 着 光 能 、 电 能 、 化 学 能 和 机 械 能 的 相互 转换 。 所 以 对 生 驳 体内 能 量 转换 的 深入 了 解 和 人 工 模拟 将 会 对 人 类 更 节 约 地 利用 能 源 做 出 重要 的 贡献 。 在 地 球 上 规模 最 天、 效率 最 高 的 利用 太阳 能 的 过 程 就 是 绿色 植物 进行 的 光合 作用 。 绿 色 植物 从 空气 中 吸取 二 氧化 碟 ， 从 土壤 中 吸收 水 分 ， 利 用 大 阳光 能 合成 有 机 物 ， 同 时 放出 氧 气 。 这 个 过 程 称 为 光合 作用 。 H,0+C0,,— (CH,0), +O, Dees VE FA FE MBER LA — TRIER, ERA 物质 的 基本 来 源 ， 也 是 空气 中 氧气 的 主要 来 源 ， 它 是 从 太阳 获得 能 量 的 最 重要 的 方式 。 光 合作 用 是 一 个 极其 复杂 的 生理 活动 ， 包 括 光 能 吸收 、 转 移 、 电 子 传递 、 水 分 解 、 磷 酸化 、 99 铺 栈 还原， 二 氧化 矶 国定 人 过 二 百年 来 的 科学 实 监 ，. 汉 = tat lane Ree Ret Bees PAA Ve ee 光 能 ,分 解 水 、 “him Meas AT (ATP) fil 一 种 具有 强 还 原 能力 的 物质 如 辅酶 (NAD 图 44 _ 叶 绿 体 光 合作 用 示意 图 这 两 种 物质 再 通过 一 些 酶 的 参与 ,把 二 氧化 碳 还 原形 成 有 机 物 ， 如 糖 类 (CHsO)ae 但 是 ， 光 合作 用 中 基本 的 问题 ， 如 叶绿素 如 何 汇集 光 能 : 如 何 把 光 能 高 效率 的 转化 为 化 学 :能 的 问题 还 没有 充分 了 解 :， 还 需要 借助 于 新 的 物理 、 化 学 知识 和 技术 进行 深入 研究 。 因 而 在 目前 要 想 对 光合 作用 进行 全 部 的 人 工 模拟 是 不 现实 的 ,> 只 能 对 光合 作用 的 各 种 反应 步 又 分 段 探讨 ， 各 个 击破 ,而 且 还 可 以 与 某 些 工业 技术 相互 参考 对 比 。 光合 作用 是 在 叶绿体 中 进行 的 叶绿体 是 归 色 可 网 细 用 中 含有 色素 的 颗粒 。 如 果 将 细胞 打 碎 ， 离 离心 出 来 的 叶绿体 时 浮 在 缓冲 液 中 ， 仍 能 进行 全 部 的 光合 反应 。 时 录 体 的 直径 绥 5 一 10 微 米 ， 厚 约 3: 一 生 微 米 。 在 电子 显微镜 下 可 看 到 已 Hy 里 面 含有 许多 薄膜 ， 厚 度 大 约 为 60A GR, ra We 10… 悍 米 )。 色素 都 集中 在 膜 上 , HH BBA. 叶绿体 中 有 好 几 种 色素 ， 。 如 叶绿素 a、 叶 绿 素 b AHAB p BE. 它们 都 有 颜色 ,能 豚 吃 可 见 光 。 但 是 并 不 都 能 起 光化学 反应 ， 大 部 分 色素 的 作用 狐 100 &- Ani ALK BEMC REE, EANREREOERE. Ht dE 振 传递 ， 把 光 能 汇集 到 一 种 特殊 状态 的 叶绿素 a 而 引起 光 化 学 反应 。 叶 绿 素 a 的 化 学 结构 在 三 十 年 代 就 已 杭 清 楚 , 到 六 十 年 代 初 期 可 以 人 工 合成 , 它 是 一 种 业 似 血色 又 的 吓 啉 络 合 物 ， 甚 中 所 含 的 金属 是 镁 而 不 是 铁 。 其 它 叶绿素 的 结构 也 基本 相 似 ， 只 是 支 链 上 有 些 区 别 。 目 前 已 知 叶 绿 素 a 可 参与 光化学 肥 应 ， 从 永 分 子 中 取得 电子 交 给 一 些 还 原 性 较 强 的 物质 〈 如 醒 》 ， 这 是 一 个 强 氧化 弱 还 原 的 反应 ， 同 时 放出 分 子 氧 ， 这 一 光化学 反应 就 是 通过 叶绿素 a 所 敏 化 的 。 既 然 光 合作 用 中 水 分 子 可 以 被 分 解 为 氧气 ， 氢 离子 和 电子 ， 那 么 设法 将 电子 ‘ef Bl res Be Ligh AT, A. HH RP AE i SB PP FOC HEHE, Mb, oA Pe He a a Sw EE AT 氧气 ， 这 样 就 可 以 成 为 气 气 发 生 器 ， 在 人 工 模拟 的 系统 中 ， 经 太阳 光照 射 就 可 以 将 水 分 解 为 气 和 氧 ， 而 氢气 则 是 未 来 重 要 的 能 源 。 绿色 植物 转化 光 能 在 地 球 上 来 说 是 规模 最 大 、 效 率 最 高 的 ， 叶 绿 体 的 转化 效率 一 般 为 35%, 比 目 前 最 好 的 光电 池 (如 奸 电 池 、 硫 化 锅 电 地、 砷 化 多 电 池 等 转换 效率 一 般 可 达 13 一 17%) 效率 高 得 多 。 目 前 利用 叶绿素 的 光电 性 能 试 作 光 电池 ， 大 们 进行 了 多 方面 的 尝试 。 例 如 :有 人 用 染料 来 代替 叶绿素 的 敏 化 作用 ， 用 氧化 锌 半导体 电极 浸入 含有 染料 的 电介质 溶 液 中 ， 当 苑 照 时 可 以 获得 的 最 大 电位 为 0.5 伏 。 又 如 用 铝 片 加 于 拖 十 分 子 层 的 类 似 叶 绿 素 的 四 酚 叶 啉 锌 作为 一 个 电极 ， 另 一 个 为 白金 电极 ， 这 个 电池 在 光照 〈 栖 色光) 后 ， 可 以 产生 1.1 一 1.3 伏 欧 电 压 。 这 一 类 的 工作 还 很 多 ， 但 是 转换 效率 还 很 低 ， 远 不 及 光合 作用 。 107 人 们 发 现 某 些 蓝 绿 藻 可 以 在 厌 氧 条 件 下 放出 气 ， 这 些 藻 类 含有 一 种 不 完全 的 光合 器 ， 当 绿色 放 氧 细胞 产生 的 还 原 性 化 合 物 扩散 到 非 绿色 的 异形 细胞 中 时 ， 就 在 那里 放 氨 。 人 位 对 这 一 体系 的 量子 转换 及 其 酶 系统 进行 研究 ， 设 计 出 仿生 光 解 水 的 装置 ， 就 可 获得 大 量 可 贮存 的 能 量 一 氢 。 现 在 美国 已 经 提出 了 实现 这 种 过 程 的 体系 ， 正 在 深入 研究 。 由 于 在 光合 作用 中 叶绿体 所 引起 的 电子 转移 、 敏 化 的 氧 化 还 原 反应 都 涉及 到 光合 作用 的 基本 问题 ， 到 目前 还 正 深 入 研究 。 尤 其 是 水 的 光 分 解 问题 如 有 所 突破 ， 不 仅 有 益 于 生物 学 、 放 射 医 学 中 -- 些 问题 的 深入 研究 ， 而 且 将 为 解 次 能 源 问 题 提 供 一 个 最 理想 的 途径 ， 即 利用 日 光 能 分 解 水 产生 氢 ， 那 么 整个 工业 将 会 由 此 而 发 生 巨 大 的 变化 。 pike 102 | | i i eee Ry RAE SHE (—) Hw i & 生物 界 中 可 以 发 光 的 种 类 很 多 ， 其 中 多 数 动物 是 海洋 生 胸 ,， 包 括 微生物 中 的 一 些 细菌 、 真 菌 ,在 无 关 椎 动物 中 如 浮游 于 海面 的 单 细胞 动物 ， 软 体 动物 ， 甲 壳 类 、 珊 瑚 虫 、_ 蠕 贝 、 水 母 工 及 生活 在 海洋 深 处 的 一 些 鱼 类 。 发 光 动物 利用 生 物 光 作为 求偶 、 防 御 甚至 诱捕 分 食 。 此 外 ， 不 少 动物 例如 昆 虫 、 鱼 类 虽然 未 身 并 不 发 光 ， 但 是 却 有 明显 的 趋 光 性 ， 而 且 每 种 动物 仅 对 某 一 波长 的 光 最 为 敏感。 生活 在 海洋 底层 的 绞 鲜 鱼 就 是 利用 发 出 的 生物 光 来 诱捕 ee Wo: 0h ts SLB HM A AR AS HS, DE ICR 103 的 未 端 ,恰好 悬垂 于 鱼 嘴 的 前 上 方 。 发 光 器 可 以 发 出 黄色 的 葵 光 ， 当 小 鱼 趋 光 而 来 时 ,恰好 送 到 撰 鲜 鱼 的 嘴 边 (图 重 ) ,甚至 使 其 他 深海 动物 把 发 光 钳 误 为 小 鱼 而 去 捕食 ， 结 果 孝 落 侯 景 鱼 用 中。 可 见 匀 鲸鱼 正 是 以 光 诱 鱼 的 生物 仿生 原型 。 人 们 尝试 以 光 捕 鱼 ， 还 在 电光 源 问 世 之 前 ， 我 国 劳动 人 民 就 成 切 地 利用 了 生物 光 ， 在 十 书 4 十 今 秘 苑 ?中 记载 “ 取 羊 膀 肪 史 “ ARBAK APF EER, Benwih, +e es TA, ZS.” CO) EER . RR TTA aT a Fi Ale a ae = aia > \ es 图 46 Ri RUA x 禄 (zang 音 增 ) EMA, KARE LRH Ea. ss 7 TE 语 讷 为 是 世界 王 冯 灯光 捕 鱼 ”的 先驱 和 雏 型 。 直 到 本 世纪 五 士 年 伐 以 后 ”在 海洋 渔业 生产 中 本 大 规模 采用 灯 诱 围 网 捕 旬 PRET Bis Wo 灯光 捕 鱼 的 光源 多 采用 电光 源 ， 使 用 时 必须 注意 防水 和 . 短路 和 尖 近 已 研制 出 一 种 化 学 光源 ,这 种 光源 是 利用 一 些 特 殊 物质 发 生 的 化 学 反应 ， 使 化 学 能 直接 转变 为 光 能 ， 有 具有 不 发 TR. FERS ATAU RST, ADRES KE, Ee A, 尤其 适用 于 水 平 ， 可 以 作为 诱 鱼 的 光源 ， 而 且 发 出 的 光 GAM, SAL DDR ICCRAW, AMBRE, WM 有 光 诱 着 明太 还 有 二 个 钓 饵 作用 ， 如 将 化 学 发 光 器 的 外 型 模 拟 上 谎 其 有 诱捕 对 象 的 饵料 生物 的 特征 由 再 加 大 亏 些 有 特定 气 105 味 的 集 旬 物质 ， 更 能 提高 多 语 作用 的 效果 。 所 谓 集 鱼 物质 是 可 以 引起 鱼 类 探寻 食物 行为 为 物质 ， 也 称 为 诱 鱼 物质 。 现 在 发 现 ， 从 贝 类 中 可 以 分 离 出 些 类 物质 ， 它 们 都 属于 抠 基 酸 的 街 生 物 ， 将 这 类 物质 置 于 水 中 ， 可 以 观察 到 诱发 鱼 群 出 现 探 oe v 灯光 捕 鱼 的 采用 使 人 类 eS ape 一 从 历来 “等 鱼 ” 上 构 落 网 的 Nor fg BARI AE” i Nel Mie Saar Bts A “Be” sare) NY RH 而 获 也 不 是 在 海洋 中 任 一 海 cxzuara j, ! 域 都 可 以 各 来 鱼 群 ， 天 们 以 wath’ KIER Ze AU FE fo BE Ses AS eshte MERGER gS” 路 线 了 如 指 掌 ， 在 一 定 的 季 fy. 节 ， 一 定 的 海域 ， 将 有 某 种 人 鱼 群 泪 游 而 至 党 在 此 海域 以 Pex # f FHRE KG, BRAT RR Zo (WH) anh 但 是 这 种 方法 仍 不 免 有 被 动 是 7p) th AAA, # /7 近海 的 某 个 海域 机 有 成 效 ， 如 果 一 年 四 季 都 能 及 时 探知 图 48 ;黄花 鱼 的 回 游 图 fa PERE, FT Bob Bie PHL AE WSK fh PRR, AMA RES BEARS BRB ARTE ime, DAP Ry, Ata aiA RM Bee VFR. MEA. RUKH. mR BRSP 游 鱼 呢 ? He TRCEME LEH DA to A 9 PP ERA 106 + —= 7 = —_s EE SSO AAD, “ENA Bi LA PR A i, HE A _ 们 不 可 以 借鉴 吗 ? 生活 在 陆地 上 的 动物 与 人 类 ， 视 觉 是 获知 外 界 变 化 的 最 重要 的 感觉 器 官 ， 几 乎 有 90% 的 信息 量 是 通过 眼睛 而 传人 机 体 的 。 但 是 生活 在 水 中 的 动物 ， 它 们 的 视觉 并 不 高 明 ， 因 为 水 里 含有 大 量 的 微生物 和 浮游 生物 ， 还 有 江河 带 来 的 大 量 浴 泥 ， 使 海水 经 常 混 有 大 量 的 沉淀 物 ， 因 此 ， 在 水 中 看 物 清 晰 度 很 低 ， 犹 如 陆地 上 日 于 浓 雾 之 中 ， 即 使 视觉 器 官 再 好 ， 也 | 必然 大 大 地 限制 视觉 范围 ， 况 且 阳 光 在 水 中 大 量 被 吸收 ， 水 对 交还 有 过 滤 效 应 水 层 越 深 ， 光 线 越 少 ， 即 使 是 最 好 的 天 气 ， 有 明亮 的 阳光 照射 海面 ， 但 在 一 千 公 尺 以 下 的 深海 中 也 仍然 没有 光线 。 因 此 ， 动 物 生活 在 浑 暗 的 海水 中 ， 视 觉 的 作 用 很 小 ， 但 是 不 少 动物 却 有 发 达 的 听觉 ， 而 且 可 在 水 中 发 出 目前 已 知 稻 、 虾 、 鱼 以 及 海 兽 妇 海豚 、 海 鹏 、 海 狗 、 海狮 及 鲸 等 都 能 发 出 频率 不 同 的 噪音 。 声 音 在 水 中 的 传播 与 在 空气 内 的 传播 不 同 ,声波 的 波长 在 水 里 要 比 空气 内 长 约 五 倍 ,传播 速度 也 加 快 五 倍 。 水 里 发 生 的 声波 传 至 水 面 即 向 下 反射 ， 传 到 水 底 又 会 向 上 反射 ， 水 下 发 生 的 噪声 不 容易 传 到 空气 里 。 因 此 ， 表 面 上 平静 的 海洋 ,水 中 却 并 不 罕 静 ， 各 种 音频 的 牛 物 噪音 交汇 在 一 起 ， 这 些 哮 杂 的 音响 在 海洋 动物 的 生活 中 却 具 有 重要 的 信号 意义 。 人 它们 借助 于 声音 寻 食 、 防 御 和 求偶 。 例 如 海豚 就 是 发 出 超声 波 ， 利 用 声波 反射 定位 的 方 法 来 探测 饵 鱼 和 避 开 障碍 物 ， 进 行 着 不 用 视觉 的 航行 。 利 用 回声 定位 的 方法 又 称 为 声 纳 的 方法 ， 人 们 对 海豚 的 声 纳 本 领 进行 了 深入 的 研究 。 海豚 是 生活 在 海洋 中 的 哺乳 动物 ， 它 没有 鳃 ,用 肺 呼 吸 ， 107 HAIL PRAT, re Remeee See HPRAS, BRLRRS EH, CRRA Pe 气囊 系统 而 发 音 的 《图 49) eR hoe RZ, ATR ES DEEZ 2, HEATER Mt a -等 ines 7 Peet Fee 49 ARI AS Ae aE 责 50.1 la ae 和 全 HE AS AR EL EL TP ae PRS, eT) RS Op ERD “oe aE HR ts BL He LPB AN, EERE BEER Bae A BE HR) ease kd UE DUPE IG 2) OT, TX PNAE i EE AO Si RAE RIL SAAR He UIE BZ FG HE I DB AEA 析 的 计算 机 。 虽 然 在 第 一 次 世界 大 战 时 ， AMES bib T JEUNE ACHE STRUT SS EE SYK RRS, BE 108 = ee ae SRR IMT. BURRELL EGE ah, EB ‘538 EA BAAN. CE RARE, GRP BOR A CR, HER IEE, ASAT EEN Tk AERP SCAT AT AE EE SAFE, BRR RET ER WA WATE OTK POL, 也 可 以 水 平方 向 探测 鱼 群 的 方位 。 用 直 升 飞机 载 有 超声 波 探 鱼 仪 ， 更 可 以 扩大 探测 的 范围 。 海洋 动物 除了 用 声波 寻 食 和 导航 外 ， 还 有 一 些 可 以 放电 He , ENR LARA RR, TAH Ree RS, | nla Taf DU ald vk ee SHE BE i Bz SC a, PIn— BEARS AAI, a a A Al Ai REA. BD. PORE ARB IR, Glen ifs M8 Fee dit eT HH, PR Se ee BR, PR he aba Ud HL 2 EA i BA HE Be, Be WiC As IA Ha HT HB, FAA ERR, METS TEMBER IS Hee, Ae ERE, DUPE A Hie BMP HED, (4 EBAY SR ew HY, va APR SER OH, FE ew PR SES , He PR 1, 电 鱼 如 此 高 明 的 捕 鱼 本 领 给 天 们 以 有 益 揭 局 发: 米 仿 志 鱼 用 电 捕 鱼 是 否 可 行 呢 ? 首先 要 了 解 鱼 在 电场 作 isi 电 鲤 放电 杀 死 小 鱼 = 用 下 有 哪些 反应 4 on 109 板 电 极 插 人 水 中 通 以 直流 电 以 后 ， 可 在 水 中 产生 一 个 均匀 电 场 , 当 通 以 弱电 流 时 ， fs 2c gla gisele FH LOR BU, bei 乱 窜 等 现象 , 称 为 感 电 反应 如果 给 予 长 时 间 的 电 刺 激 ,，. 鱼 的 上 述 反应 消失 ， 产 生 适 应 能 力 。 当 加 大 电压 至 某 一 水 平时 ， 鱼 都 向 阳极 方向 游 去 ， 这 种 行为 称 为 趋 阳 反应 。 再 加 大 电压 鱼 就 会 失去 控制 运动 能 力 ， 呼 吸 停止 ,腹部 向 上 , ; 处 入 假死 状态 ， 或 者 浮 于 水 面 或 沉 和 水底 ， 这 种 反应 称 为 鱼 的 麻痹 反 应 。 车 停止 通电 ， 几 分 钟 后 鱼 的 麻 下 吉 反 应 即 可 消失 。 从 以 上 的 实验 可 以 看 出 ， 随 着 外 加 电压 的 逐渐 加 大 ,- 鱼 可 以 先后 相 继 出 现 感 电 反 应 ， 趋 阳 反应 和 麻 阅 死 亡 。 但 是 出 现 以 上 不 局 反应 时 所 需要 的 电压 值 , 可 因 鱼 体 的 大 小 不 同 而 异 * 因 为 长 放 不 等 的 鱼 在 同一 电场 中 鱼 体 电压 值 不 同 ， 所 谓 鲁 体 电 压 值 是 指 一 条 鱼 在 电场 中 从 唇 端 至 尾 又 处 所 加 的 电压 值 os 显然 鱼 体 越 大 ， 鱼 体 电 压 值 就 越 高 。 因 此 ， 水 中 电场 由 弱 变 强 时 ， 首 先 使 大 鱼 先 达到 趋 阳 反 应 ,继而 被 麻痹 ,而 小 鱼 却 安 然 无 六 。 在 广阔 水 域 进行 实验 表明 ， 插 大 水 中 药 电 极 得 到 的 是 一 个 非 均匀 的 电场 ， 在 电极 处 电场 强度 最 大 ， 距 电极 越 远 电场 强度 越 小 ， 因 而 在 电极 周围 自 内 向 外 形成 电场 强度 是 由 大 土台 的 梯度 。 对 于 鱼 的 刺激 强度 可 以 形成 三 个 区 域 。 自 电极 中 心 区 向 外 分 别 为 麻痹 区 、 趋 阳 区 和 感 电 区 ， 处 于 感 电 区 的 鱼 遇 现 不 定向 的 乱 窜 ， 或 者 光 之 天 天 ， 或 者 跳 进 趋 阳 区 而 被 集中 位 于 趋 阳 区 的 鱼 向 阳 电极 处 靠近 ; 冲 和 麻 癖 区 萝 省 即 欠 ， 控 HIS BORE DD. ASR APE Bo, BE HAR ee AY HB Ae ts Fk BT DAF 2 ay A A I 因此 ， 利 用 鱼 类 在 电场 中 的 各 种 反应 特点 ， 人 们 就 可 以 巧妙 地 利用 鱼 的 趋 阳 反 应 把 鱼 集中 ， 再 使 鱼 麻 兽 后 ， 用 和 泵 吸 鱼 上 110 人 船 ， 开 创 工 业 化 捕 鱼 的 道路 。 不 同 种 的 鱼 达 到 趋 阳 反 应 和 麻 流 反 应 所 需要 的 电场 强度 不 同 ， 人 们 根据 捕 迭 对 象 调整 适当 的 电压 参数 ， 还 可 以 有 选择 的 捕 鱼 。 同 一 种 鱼 由 于 个 体 大 小 的 差异 ， 鱼 体 电 压 不 同 ， 选 择 适当 的 电压 强度 使 大 鱼 被 捕 ， 面 小 鱼 则 由 于 未 达到 趋 阳 反应 可 消 遥 于 电场 之 外 ， 达 到 了 捕 大 留 小 保护 资源 的 目的 。 在 海 详 里 采用 电 - 对 捕 鱼 , 由 于 海水 的 电导 率 远 比 淡水 为 大 ， 通 以 直流 电 后 耗 电 量 极 大 ， 而 且 难 以 形成 趋 阳 电 场 。 模 仿 电 鱼 发 放电 脉冲 的 方式 ， 改 用 直流 电 脉冲 后 ， 使 鱼 的 趋 阳 效果 比 直流 电 更 为 显著 ， 人 们 从 电 鱼 受到 的 启示 获得 了 远 比 电 鱼 更 为 卓越 的 效果 。 但 是 只 靠 电 场 和 鱼 泵 还 不 能 大 量 捕 印 ， 因为 捕 鱼 的 能 力 直 接 与 电场 中 趋 阳 区 的 大 小 有 关 。 加 大 电场 以 扩大 趋 阳 区 的 范围 ， 势 必 也 加 大 麻 兽 区 的 范围 ， 如 果 超 出 鱼 泵 的 有 效 吸 程 ， 即 使 鱼 已 麻痹 也 仍然 不 能 吸 捕 ， 同 样 达 不 到 多 捕 鱼 的 目的 。 此 外 ， 由 于 加 大 电场 , 耗 电 剧 增 更 不 经 阐 ， 于 是 大 们 就 采用 综合 仿生 的 方法 ， 通 过 超声 波 探 鱼 仪 ， 侦 获 鱼 群 所 在 海域 ， 然 后 把 灯光 捕 鱼 与 电 -和 双 吸 捕 相 结合 ,在 水 面 上 下 设置 灯火 ， 水 面 上 的 灯光 照射 范围 可 达 几 海里 ， 水 下 灯 光 也 有 几 干 米 的 范围 ， 这 样 就 可 以 扩大 电场 的 作用 范围 ， 调 配 各 种 鱼 类 喜 看 的 光 色 ， 水 下 播 出 鱼 类 熟悉 的 噪音 ， 于 是 鱼 群 被 它们 “喜闻乐见 ”的 信号 所 邀请 ， 接 晴 而 来 ， 趋 集 在 系 日， 被 诱捕 到 船上 。 实 践 证 明 , 光 、 电 - 系 无 网 捕 鱼 是 一 种 行 之 有 效 的 新 型 捕 鱼 技术 。 它 的 优点 在 于 产量 高 , 鱼 体 无 损伤 ， 有 利于 保存 ， 同 时 可 以 有 选择 地 捕 鱼 ， 保 护 水 产 资 源 :另外 ， 生产 操作 具有 高 度 的 自动 化 水 平 ， 可 节省 大 量 劳 动 。 这 种 捕 鱼 技术 在 我 国 已 包 步 获得 成 功 ， 在 不 久 的 将 来 ， 一 个 工业 化 111 TF Paar: AAA nif 7I> 62 - iE 112 RAN AEH + eet Book te # pie Zhe EL Ze) ARH RA, BERS, MEHER MINH je HV He 8, BIE HH RBS (ORG, PAM ITH. BPE. FR RU “pi, RVI AE BS AAT AT A SE EB BE“ 2?) FIRE EL NF oh, SBIR sh A AY. “RAAB Ee BE EROS, Ze CMRRMA, BYR HRA Ka) HRA Am MEIN) We RUA) 也 发 出 短暂 的 闪光 ， 使 雄 虫 循 光 而 x, 直至 难 肉 相 会 。 曹 天 贝多 有 一 千 五 百 种 ;每 种 各 自发 出 不 辣 的 营 光 ， 它 们 都 有 自己 特有 的 求偶 信号 以 避免 “误会 >< 虽 PERS RE IEA IE, TLE MED ARAM, Be 0, Bk, WER bee. RARER HRA, 我 国 劳动 人 民 很 早 以 前 不 仅 以 昔 虫 捕 鱼 ， 耐 SBE. Re. PRT Rk, RS, TEARS th RE. 在 没有 电 的 时 候 ， 人 们 用 eae WET A Tal He A RB ARB GO, By ky wR ERT REED BY fs A BE ES I, A HE eo WS RE oe OAT BER RICH: BEE BT OEE Ze, Aviat EN AL AE OE A, TEE BBR WE th ME BHT 长 43300 ~ 4000 A 的 紫外 线 WR, ARAN IEE. AEE TF Re, eA, PST T RE RH E3600 A HET. ER 113 一 种 低 气 压 汞 气 鞠 光 灯 ， 除 了 能 辐射 出 波长 为 3600 六 的 不 可 见 的 紫外 线 外 ， 还 有 人 眼 可 见 的 紫 灰 色光 辉 。 所 谓 “ 黑 光 ? 灯 ， 只 因 在 初期 曾 以 黑 玻 璃 做 灯 管 壁 而 得 名 。 在 黑光 灯 的 下 面 放置 水 盆 ， 水 中 加 进 煤油 和 农药 ， 夜 晚 开 籽 ; THICK, 扑 灯 落水 ， 即 被 捕杀 。 ABAD HOLS PHP 紫外 线 的 敏感 度 有 区 别 ， 例 如 : 棉铃 虫 分 别 对 波长 为 3330 久 #14050 A 的 紫外 光 最 敏感 ， 粘 虫 对 波长 为 3750 久 的 紫 处 光 趋 光 性 最 强 ， 一 些 粮 食 害虫 则 分 别 对 4450A， 当 250 Ag 和 5460A 的 蓝 绿 光 最 敏感 。 因 此 ， 对 于 辐射 紫外 光波 长 范围 较 窗 的 黑 HATH, WALRUS DRA ERAGE. :为 此 目 前 又 出 现 了 一 些 高 效率 诱 虫 灯 。 它 们 是 一 种 金属 砚 化 物 灯 ; HPA Bm. HH. TEER. AEA. WK 紫 蓝 、 绿 色 和 接近 白色 的 光 。 这 些 新 灯 可 辐射 出 红外 光 ) 可 见 紫外 光 的 波长 范围 不 仅 宽广 ， 而 且 还 有 许多 紫外 光谱 线 ， 形成 某 些 波长 的 紫外 光 能 量 特别 集中 的 区 域 。 这 样 的 诱 虫 灯 对 于 绝 大 多 数 的 农业 害虫 具有 很 大 的 诱 性 ;而 且 和 诱捕 害虫 的 种 类 也 远 比 黑光 灯 为 多 ,初步 统计 可 达 10 个 目 :61 科 5414 种 ; 新 灯 的 发 光 效 率 高 ， 光 亮度 大 ， 其 诱 虫 的 有 效 半 径 可 达 一 公 里 ， 诱 捕 范 围 可 达 4700 亩 。 若 在 农业 害虫 发 生 的 高 峰 时 期 开 灯 之 后 飞 虫 即 从 四 面 八方 蜂拥 而 来 ， 犹 有 :宾客 如 云 ” 之 势 ， 在 距 灯 二 米 的 范围 内 ， 虫 子 密度 往往 达到 惊 大 的 往 度 5 4 有 一 些 昆虫 有 灵敏 的 听觉 ， 还 可 以 接收 到 超声 波 ， 它 们 在 交配 期 就 是 靠 发 出 求偶 的 声音 而 相 会 。 人 们 可 以 采用 扰乱 战术 ， 在 害虫 交配 期 内 ， 发 出 强大 的 超声 波 王 扰 成 虫 的 交配 求偶 信号 ， 和 致使 交尾 受阻 而 减少 害虫 的 繁殖 。 此 外 ， 模 拟 昆 虫 的 求偶 声 ， 还 可 以 进行 诱杀 。 现 在 已 经 能 模仿 两 种 屿 着 的 114 | 求偶 声 。 当 播送 出 仿造 的 时 蚌 求偶 声 时 ， 就 有 许多 时 姑 聚 在 扩 音 器 处 ， 跌 人 捕捉 器 而 诱杀 (A53) 。 YY SI » SA yy 以 4 ES NO % 化 Y rs SE) Dass | P53. FRLSE Me ty oR 1B FB AR Ws 此 外 ， 还 有 一 些 昆虫 对 于 天 敌 的 呼叫 声 非常 敏感 ， 一 且 KARAM, SLR. Bild: 蝙蝠 是 捕食 农业 害虫 的 能 手 ， 不 少 农 业 害虫 只 要 收 到 蝙蝠 发 出 的 超声 波 ， 便 慌忙 逃避 。 因 此 ， 估 们 即 模仿 蝙蝠 发 出 超声 波 的 频率 和 强度 ， 在 田间 播送 ， 可 以 保护 棉田 免 受 象 鼻 虫 蛾 的 灾害 ， 并 可 大 大 减轻 玉米 钻 心 虫 的 危害 。 昆虫 还 有 一 种 绝妙 的 “语言 > ， 就 是 由 虫 体 发 出 一 些 气 味 ， 通 过 嗅觉 而 互通 消息 。 利 用 微量 分 析 化 学 技术 ， 发 现 许 多 动物 都 是 异 助 于 气体 物质 而 “交谈 ”的 。 这 种 传递 信息 的 方式 ， 称 为 化 学 通讯 。 动 物 释 放出 携带 信息 的 物质 称 为 信息 素 。 在 自然 界 中 ， 雄 虫 所 以 能 成 功 地 找到 雌 虫 进行 交配 ， 就 115 Kanne ara ae ae 0 FA Hi » Fel te SRE I I RD! ERTS a DAS” o i ee} Be Hk EEF ANE AE, BL DAE SO AOIBERS 未 端 有 一 种 能 Pen eR A BER SUR P, AMRTLA SE. “te REDE SL eA AA PE Re A Sr er LU egies [DT SE De AA ae esl 18 BEIM OT J JRE EAB NTR, age A RCE — nee go LR MAGTVES SOA CLA SLs, OO Be SAWS. SUE) LG EMER, mre MRR AIG. AE. eB ERAT SANE ATE RI HWE) PEERY, FCoE LA REM —- 2 BG a BB 较 多 。 Rs 可 以 发 散 沁 | i RARE AH MeN HE ER Se eth He Ek He he ee He RH yg fe Cee u“ es 2 ike 4 党 & : F154 || CUR eH PE PIG I SS (ARR I ok Te ZUR DRIES PCE, BRE OE SALI, 2 lh gaetasbics fa AL Was WES SAE PRAT EMS ORG. : | 2 ew eR a NRF RAL ne OE IG Oa SSE ESF TI Ba Es 不 一 四 受精 后 就 立即 停止 释 放 性 诱 激素 ;昆虫 性 诱 激素 对 于 同 秋 异 性 不 体 具 有 很 天 的 诱 性 ;| SAMIR OTE 是 极其 微量 的 ”人 和 仅 有 0:05 二 0.1 微 克 。 例 如 美洲 的 二 种 森林 害 Hy MU SEU, — FIERA) WhO , 1 Pe HU EER, 得 是 诱 来 KEIR RGR ZR, MERRIE PPS Bike” Spy HAY Ee EE EI BS Hi I TTS 然而 ， FLAG. O5~ 0, 15 He, HSE ES eT EB ELAR, 几 百 米 RBILA BUSPAR DE, Bh ARB BR 还 具有 种 的 特异 性 ， 每 种 昆虫 释放 的 性 诱 物质 只 对 本 种 异性 CRE: SHVEL HS SAPO ER CS FRE EL ATO TAS ifs Fi YE BRE SE th FRE BBE MEK I AeA, WAVE RMI, leben th SUE DASH: TES SEH BR BOA TP BE OE Ds ak 4 FP AE Vi, Rb RIE Be BE AL el. RR TA TEC, BLABY TESS ANT fe TE Be Ob, 有些 植物 还 能 发 散 出 类 (LER th PE DSR— RE AUOR ilo TEMS LAE PR HH SME PE TEA MNS UDR, Ti ELE WS TE IE Ab, ALE eH FE, REWRGUR TI, IL MEIER” ERISTE RES “ELEY”, 六 样 雄 蜂 虽然 “受骗 罗 INA OE TE OED AB Tea, | LEE PED I. ILE HEN ARO PIE. HIE ae, ARE Be MR eee a, 分 TI” 离 和 研究 昆虫 性 诱 激素 扑 化 学 结构 ， 进 行 大 工 合 成 中 大 们 一 日 掌握 了 昆虫 性 诱 激素 ， 也 可 以 向 昆虫 发 出 “邀请 所 的 信 B, HERE “BRA, Riz”. | 1959 AME RRERREBER DPD BH eK EGA AAA 10.12—T A ko 1 醇 ， 以 后 又 陆续 研究 了 十 种 鳞 节 目的 性 诱 激素 的 化 学 结构 ， 现 它们 基本 上 是 属于 含有 12 一 18 个 碳 原子 的 不 饱和 直 链 怀 酸 脂 类 化 合 物 。 它 们 的 性 诱 能 力 与 化 学 结构 有 密切 的 闫 和 系 s 某 一 种 性 诱 激素 在 化 学 结构 上 的 微小 变动 让 就 会 失去 性 诱 活 性 。 人 们 利用 人 工 合成 的 性 诱 物质 可 以 将 雄 虫 诱 来 予以 捕 杀 ， 这 样 不 但 可 以 消灭 成 虫 ， 而 且 还 可 以 大 大 减少 害虫 的 交 配 繁殖 。 因 此 ， 采 用 仿制 昆虫 化 学 通讯 的 手段 为 消灭 害虫 开 辟 了 一 条 新 途径 。 Ad AUS oe HO 光 和 化 学 通讯 的 本 领 ， 使 人 类 能 有 效 的 控制 昆虫 的 行为 。 人 们 可 以 有 效 地 把 害虫 诱 聚 在 一 起 进行 销 灭 ， 例 如 : 用 1 毫克 人 工 合成 的 棉铃 虫 性 诱 激素 与 杀 提 剂 混合 ， 分 放 在 250 一 625 个 捕虫 器 内 ”在 15 亩 的 面积 内 每 夜 可 诱杀 一 万 只 害虫 。 有 人 用 一 慢 15 瓦 、 波 长 为 3650 埃 的 黑 - 光 灯 ， 在 灯 的 顶端 悬挂 冯 有 红 铃 虫 性 诱 激素 的 滤纸 ,在 三 个 月 内 竟 诱 杀 红 铃 虫 达 十 四 万 只 之 多 。 这 种 方法 不 仅 可 有 效 使 用 杀 虫 剂 ， 极 大 地 抑制 了 害虫 的 繁殖 ， 而 且 对 害虫 既 不 会 引 起 抗 药性 ， 对 人 、 瘟 也 不 造成 危害 和 污染 环境 。 af Iv 24 综 上 记述， 研究 昆虫 的 通讯 语言 、 模 仿 昆 虫 的 通讯 本 领 、 调 动 昆虫 的 行动 以 达到 诱 虫 除 害 的 效果 。 这 不 仅 为 防治 害虫 开辟 了 广阔 的 前 有 景 ， 而 且 也 揭露 了 动物 行为 的 秘密 ,并 在 人 们 面前 展现 出 它们 精巧 的 功能 。 例 如 一 只 雄 蛾 可 以 距 峻 118 蛾 有 千 米 之 遥 RRR HREM RS, TREK 其 分 子 浓 度 已 经 微乎其微 ， 雄 蛾 刀 乎 仅 能 接受 到 单个 分 子 ， 但 这 就 是 以 引导 雄 蛾 与 肉 蛾 相 会 。 这 说 明雄 蛾 的 嗅觉 感受 堪 对 于 特工 性 物质 有 高 度 的 敏感 性 。 又 如 昆虫 的 听觉 感受 器 仅 MILA AeA, HERE HRA, HEH 找到 求偶 的 对 象 。 这 些 精 巧 灵敏 的 感觉 器 官 也 为 人 们 准备 了 仿生 学 的 生 物 原型 。 人 猪 是 杂食 性 的 家 冀 ， 但 以 草食 性 匈 料 为 主 ， 适 量 的 调配 一 些 精 料 。 日 前 农村 养 猪 所 用 的 青 粗 饲料 一 般 为 农作物 的 秸 AF, WNBA. TEA. SL AE. AES, 这些 粗饲料 含 BKEMABEH (430~50%). BRAINY Be Me, (A eee TOR ARE “OAT” ATE, SAT oe TB ME 消化 吸收 5 AAEM EP RS KEHR ORE, HK 部 分 是 由 未 被 消化 的 粗 纤维 所 组 成 。 -粗饲料 中 含有 丰富 的 纤维 素 ， 基 本 上 属于 一 种 多 糖化 合 物 ， 如 能 被 分 解 可 以 产生 糖 类 或 有 机 酸 ， 就 可 以 被 猪 吸 收 利 用 。 猪 为 什么 不 能 消化 纤维 素 呢 ? 猪 和 其 他 动物 的 销 化 过 程 一 样 ， 当 食 人 饲料 后 ，- 食 物 所 含 的 各 种 物质 都 必须 经 机 械 销 化 和 化 学 消化 过 程 ; SRA. BAA. KOR 成 简单 的 分 子 如 葡萄 糖 \ 氛 基 酸 和 脂肪 酸 等 。 这 个 复杂 的 消 化 过 程 的 实现 ， 必 须 依 靠 消 化 该 内 所 含有 的 各 种 酶 。 只 有 在 各 种 销 化 酶 的 有 效 分 解 儿 用 下 ， 才 能 使 食物 中 的 各 种 物质 转 变 成 可 被 吸收 的 物质 。 猪 是 一 种 单 胃 的 杂食 性 动物 ， 在 它 的 AGB ARAWHS NAIR, BRS AAED eS BD 119 质 的 消化 酶 ， 但 是 唯 独 缺 乏 可 以 消化 分 解 纤维 素 的 酶 绑 a Pe: We, Bee SP ES A CRE 0 TR AEX 我 国 开展 利用 发 酵 饲 料 养 猪 ， 条 饲料 在 糖化 冯 酵 过 程 中 i A He iy FO SY HE EAS OA Ee A. 维生素 等 而 丰富 了 人 饲料 的 营养 。 微生物 活动 不 断 产生 热 量 傣 局 粗饲料 逐步 软化 上 微生物 体内 含有 一 些 能 分 解 淀粉 ,蛋白质 1 脂肪 、 果 胶 等 各 种 酶 ， 也 可 使 粗饲料 中 一 些 复杂 物质 得 到 条 站 步 的 分 解 ， 有 利于 猪 的 消化 和 吸收 , 增加 了 饲料 的 营养 价值 。 但 是 参与 饲料 发 酵 的 微生物 对 于 分 解 纤维 素 的 能 力 很 低 ， 因 此 在 发 酵 饲 料 中 粗 纤 维 仍 然 分 解 不 多 ,. SER REE Bie 增 吉 对 纤维 素 的 消化 和 吸收 的 能 力 5 EL. af HAMA TAAS DI, EBRD. 由 于 胃 的 构造 不 同 ， 一 般 将 草食 动物 分 为 反刍 动物 和 单 骨 天 物 丙 类。 反刍 动物 Ave. ES) 的 胃 由 四 站 骨 组 成 ;包括 S 瘤胃 、 网 胃 、。 扒 骨 和 皱 胃 。 其 中 瘤 骨 的 容量 最 大 计 如 和 牛 的 瘤 胃 加 网 胃 的 容积 占 胃 总 容积 的 64% mae RMA 6). ‘AES A PME wy a HL et 部 位 。 BRMAAAS A 极其 丰富 的 微生物 ， 包 括 细 菌 和 纤毛 虫 类 j 据 统计 牛 瘤 明 内 站 的 食 靡 可 达 50 一 100 公 斤 , TEFEN A BE 150~2501L4, 纤毛 虫 有 60 万 一 100 万 只 ， 伟 瘤胃 《和 包 翘 网 3 S) 形成 二 个 发 酵 双 。 食 物 中 容易 消 化 的 淀粉 和 糖 娄 在 瘤 彰 j 内 迅速 消失 ,食物 中 的 蛋白 质 大 部 分 被 细菌 分 解 7 MRR YE BUG SE SA. IRS SA ik Ae 的 消化 起 着 决定 性 的 作用 ， 可 使 食 人 粗饲料 中 50% 的 粗 因 给: Mis CREME PAR SANA DSR RAS 胃 ， 动 物 再 从 消化 这 些微 生物 中 得 到 氨基 酸 等 营养 物 ! De 120 苍 食 迄 四 所 能 吸收 的 虱 白 质 约 有 20 一 30% 是 由 瘤胃 内 微生物 ARO. 可 蝎 在 反刍 动物 的 消化 过 程 中 食物 先 由 微生物 发 酵 而 后 人 小肠 进行 酶 的 消化 而 微生物 本 身 也 被 动 网 消 tt We 二 < SOT) gs) 症 对 粗 纤 维 的 消化 率 Hh Se AN Hat ps HANS DHL 2 il UE ity Be ER”, 进 行 微生物 发 酵 的 部 位 是 在 结肠 和 HB, 国 紫 绑 肠 光 其 是 刘 肠 非常 用 达 。 杠 是 发 铝 消 伦 发 生 在 ML, REAR eo OL OIL AI 的 , ° TE A By RB REIL AUT. 在 马 CRM UMMC = Gibeae s tae ee ka aS ‘A ON SE HB HEE NE 9) fer Bemi15~20% ; | 121 人 们 对 比 了 牛 和 猪 对 粗饲料 消化 率 的 不 同 ,其 原因 就 在 于 牛 有 一 个 卓有成效 的 发酵 负 2 一 一 瘤胃 。- 在 瘤胃 中 含有 分 解 纤维 素 的 微生物 ， 能 不 能 把 这 种 微生物 分 离 出 来 呢 ? .在 本 世纪 的 前 半 叶 ， 许 多 工作 者 曾 试图 培养 出 在 瘤胃 内 起 分 解 纤 维 素 作 用 的 细菌 ， 直 到 1947 年 左右 才 获 得 成 功 。 其 成 功 的 关 键 在 于 配制 出 适合 于 分 解 纤维 素 细菌 生长 的 培养 基 , RE 模拟 了 在 成 分 上 与 瘤胃 环境 相似 的 培养 基 。 它 要 求 酸碱度 接 近 pH6.7， 温 度 37 一 402C， 而 且 要 在 严格 的 厌 氧 环境 中 ,用 稀释 过 的 瘤胃 内 容 物 接种 进行 培养 。 以 上 这 种 分 解 纤维 素 细 菌 的 纯 培 养 是 非常 严格 而 复杂 的 ;将 这 种 培养 方法 运用 于 实 际 ， 以 提高 猪 对 粗 人 饲料 的 消化 率 尚 有 很 大 的 距离 。 但 是 也 给 于 人 们 有 益 的 启示 : 如 果 给 猪 以 仿制 的 和 瘤胃 让 就 可 使 猪 也 能 象 牛 和 羊 一 样 从 瘤胃 的 发 酵 作用 中 得 到 好 处 s 生 和 闫 的 癌 胃 是 天 然 的 “发 酵 角 ?， 我 们 可 以 仿造 瘤胃 的 走 要 生理 条 件 ， 如 适宜 的 温度 〈38 一 40"C) 和 酸碱度 (P 卫 5.5 一 7 .5)5 tik 5A BY 环境 和 人 工 配 制 的 含有 精 类 、 氨 、 矿 物质 及 水 的 发 酵 液 。 然 后 把 牛 瘤胃 内 的 物质 接种 到 发 酵 液 内 ,并 予以 间歇 式 的 搅拌 ， 就 可 以 使 牛 瘤胃 内 微生物 在 人 工 瘤胃 内 生长 和 繁殖 ,; 坟 发 挥 天 然 瘤 骨 的 消化 和 代谢 功能 ， 即 主要 是 分 解 纤维 素 和 生产 微 生物 蛋白 质 。 猪 吃 到 人 工 瘤胃 内 的 发 酵 饲 料 ， 岂 不 是 与 体内 具备 有 “发 酵 双 ”的 后 一 样 有 相同 的 收益 吗 ? A 饲料 已 经 由 江苏 农学 院 畜牧 兽医 系 研制 成 功 吕 经 过 死 秆 生产 实践 的 检验 与 不 断 的 改进 ， 获 得 了 较 好 的 效果 。 经 分 析 ， 粗 饲料 经 人 工 瘤胃 发 酵 后 ， 粗 纤维 的 分 解 率 达到 15 一 20%。 HE 吃 了 这 种 发 酵 饲 料 后 也 发 生 一 系列 生理 变化 ， 类 工 瘤胃 人 饲料 中 的 部 分 酶 类 进入 消化 道内 ， 瘤 胃 微 生物 在 猪 的 大 肠 内 栖 居 122 和 区 殖 增加 区 强 了 猪 消 化 道内 微生物 的 发 酿 作 用 。 而 且 粗 饲料 经 过 人 工 瘤胃 的 发 醇 过 程 ， 等 于 对 粗饲料 作 了 预 处 理 ， 也 有 利于 纤维 素 的 分 解 和 消化 。 因 此 使 名 料 中 的 纤维 素 在 体 内 消化 率 的 提高 可 达 30% 以 上 。 于 是 饲料 中 粗 纤 维 的 总 消化 率 可 达到 50% 左 右 ， 达 到 了 和牛 羊 天 然 瘤胃 消化 率 的 水 平 。 此 外 光 由 于 人 工 瘤胃 发 酵 饲 料 中 纯 蛋 白 的 含量 比 原 粗 饲料 增加 50% 左 右 ， 因 而 大 大 提高 了 粗饲料 的 营养 价值 。 实 践 表 明 ， 在 精 饲料 的 种 类 和 数量 相同 的 情况 下 ， 咀 人 工 瘤胃 人 饲料 的 猪 比 咀 自然 发 酵 饲 料 的 猪 ， 一 般 增 重 率 可 提高 15 一 30%。 图 57 ” 猪 喂 饲 人 工 瘤胃 人 饲料 时 对 粗 纤维 的 消化 率 大 工 瘤 骨 饲 料 猪 爱 吃 ,能 长 腰 , 粪 便 肥 效 高 。 群 众 反 映 ， ni Ha RR, UR AT A Ba RE REE. 事实 说 明 ， 仿 牛 洲 猪 ， 切 实 可 行 。 6 四 ) 仿 ww A x 生物 种 类 繁多 ， 形 形 色 色 ， 千 姿 百 态 ， 然 而 它们 都 是 由 蛋白 质 和 核酸 所 构成 。 其 中 氮 素 是 组 成 生命 的 基本 元 素 之 一 。 自然 界 中 有 极其 丰富 的 气 素 ， 在 空气 中 占 80%。 有 人 计算 在 123 面积 为 1 平方 米 土地 表面 的 空气 柱 中 ; ROAM 8 MMR 围绕 在 地 球 之 外 的 大 气 层 所 含 氨 气 足够 生活 在 地 球 上 的 生 有 受用 。 然 而 生物 如 何 向 大 自然 素 取 它 所 需要 的 气 素 呢 宣 大和 动物 不 能 直接 利用 空气 中 的 氛 气 ,人 和 动物 体内 的 气 素 是 吉 | 接 或 间接 地 来 源 于 植物 。 但 是 绝 大 多 数 的 植物 也 杰 能 直接 利 用 空气 中 的 氮 素 。 空 气 中 的 氨 素 只 有 和 其 他 元 素 化 人 ,国定 在 化 合 物 中 ， 如 氨 与 氢化 合成 氮 ， 或 与 氧化 合成 硝酸 规 或 亚 ; 硝酸 盐 ， 才 能 被 植物 所 利用 。 植 物 从 士 壤 中 吸取 扎 指 无 机 化 合 物 在 体内 合成 为 所 的 有 机 化 合 物 , 使 大 和 动物 获得 蛋 点 质 品 那么 大 气 中 的 所 如 何不 断 地 补充 到 土壤 中 转变 成 所 的 无 机 化 合 物 呢 ? 原来 在 土壤 中 有 一 些 细菌 承担 了 这 不 重大 的 使 命 。 oniscmmmas sate 由 的 含 气 无 机 物 ， 植 物 吸收 和 利用 士 壤 中 前 上 pineal aint EHEAR. MOTRAHAA, BARE wE READ IOP OR, ERT teh, BE! wp 另 三 种 细菌 可 以 把 伺 从 化 合 物 中 还 原 出 来 再送 曾 美 辣 《 训 各 细 蓝 称 为 反 硝 化 细菌 ) 。 从 而 完成 了 所 的 循环 〈 图 58) 。 这 样 好 球 上 气 素 元 素 以 各 种 无 机 化 合 物 和 有 机 化 含 物 的 状态 循环 于 生物 之 间 。 让 人 人 人 人 eo, Ne CRASS tte 人 和 核酸 。 同 样 也 靠 另 一 些微 生物 又 把 氨 素 释放 到 天 气 生活 在 土壤 中 ,具有 固定 大 气 中 氮 素 本 领 的 细菌 称 为 固 气 菌 , 宕 们 犹如 无 数 微小 的 单 细胞 工厂 ， 每 天 生产 着 氮肥 。 hei eee apatites ri 3) AA, APRA BAA HA RR 124 人 hi rae eis 了 / Hs fee Bie 0 | | ESE Vere “9 ‘ . 4 ~ 7 4 ALE 一 一 ， Pd fy meets s - / vy fe . e a ag BO a faa sere (ORR, EEE 5 RH DHBDNKA. BRODER BMMAE. HE. BE. eg a ee ee AI Ae PRM SES Fag wT A RC EK ET ie HE. ARIS RE LS HI JAS PUA A PG A 2A A 面 后 ， 发 现 它们 葛根 上 长 了 不 少 圆 形 而 大 小 不 等 的 “ 瘤 子 ”， 这 就 是 根瘤 :在 根瘤 里 面 挤 满 了 数 以 百 万 计 的 根瘤 菌 。 其 实 豆 科 植 物 的 根瘤 并 非 自生 而 有 的 ， 是 由 于 土壤 中 存在 有 根 癌 菌 ， 它 们 只 寻求 豆 科 秆 物 的 根 ， 侵 袭 而 入 ， 促 使 根部 细胞 及 大 并 分 裂 增多 形成 根瘤 ; ;根瘤 菌 在 此 安家 ， 大 量 繁 殖 。 它 们 和 将 空气 中 的 气 转 变 成 氨 ，; 再 转变 成 氨基 酸 供给 豆 笠 植物 受 用 《图 59)3 而 它们 在 固 氨 过 程 中 作为 能 量 而 消耗 的 卫 素 可 所 志 125 科 植 物 的 根部 得 到 供应 。 豆 科 植 物 与 根瘤 菌 如 此 共生 当然 受 爸 不 线 ， 难 人 怪 豆 科 植 物 不 需 氮 肥 。 其 实 每 个 根瘤 都 成 为 制造 损 肥 的 车 间 了 。 由 于 豆 科 植物 可 以 增加 士 壤 中 氮肥， 我 国 劳 动人 民 早 在 公元 前 400 多 年 就 采用 了 巨 科 植 物 与 其 它 农 作 有 驳 轮作 的 方法 来 增加 土壤 的 肥力 。 OOC O 0 O 0 a) Oo OO O00 90D 0900 eo Le se a ole lelstelelstelstar 2/7. Sa <2 K NOOOUOGODG i Teco 并 ae ! Mg Pps SM UIA a sapxex A nS 5065 TAANRNAN SA STOUT Rau Ke ~J <== ae . ¥ Y V\by HON . ON” 图 59 # I GAY PE ELTA BRT ESTE BOD HE BF RO BE 如 厌 气 性 的 巴 氏 梭 菌 ， 好 气 性 的 棕色 固 氨 菌 和 兼 性 的 光 民 杆 126 昔 等 。 它 们 在 固氮 时 ,有 的 需要 碳 源 ， 也 有 的 并 不 需要 碳 源 ， ”机 是 直接 利用 太阳 光 能 进行 固氮 〈 光 合 细菌 ) * 尽 管 自生 固 氨 菌 在 固氮 的 能 力 上 远 不 如 根瘤 菌 。 但 是 ， 人 们 还 是 要 充分 地 利用 这 种 固氮 作用 ， 把 自生 固氮 菌 进行 分 离 和 繁殖 ， 人 工 培 养 制 成 大 量 的 自生 固氮 菌 肥 ， 施 于 农作物 的 田中 ， 增 加 土壤 所 的 含 氛 量 ， 以 促进 农作物 增产 。 此 外 还 有 一 些 蓝藻 COT 主祭 种 ) ,也 有 固氮 作用 ， 它 们 多 分 布 在 热带 ， 亚 热带 及 潮 温 地 区 。 在 我 国 的 南方 水 田中 ， 也 存在 这 种 固氮 蓝 攻 ， 它 们 多 与 绿 蔬 共 生 ， 对 于 增加 水 田 的 氮肥 有 良好 的 效果 。 生物 固氮 作用 是 微生物 界 的 一 个 特有 过 程 。 它 能 将 空气 中 的 游离 气 变 成 气 。 依 靠 生物 固氮 ， 地 球 上 每 年 能 固定 1.75 亿 吨 氮 素 。 而 化 学 工业 就 1970 年 全 世界 的 年 产量 比较 还 员 能 合成 0.40 亿 吨 的 氮 ， 由 此 足见 生物 固 氨 的 重要 性 。 如 何 更 好 的 发 挥 生物 因 氨 的 作用 呢 ? -人们 开展 了 许多 课题 的 研 See 11h 为 什么 根瘤 菌 只 喜欢 与 豆 科 植物 共生 ? 近年 的 研究 发 现 每 一 种 根瘤 菌 都 只 和 一 种 豆 科 植物 共生 ， 例 如 在 大 豆 根瘤 中 的 根瘤 菌 不 会 与 曹 攻 共 生 。 进 一 步 实验 表明 ， 豆 科 植 物 还 含 有 一 种 含 糖 蛋白 一 一 称 为 外 源 凝 集 素 ， 以 大 豆 为 研究 材料 ， 发 现 大豆 的 外 源 凝 集 素 附 着 在 根 的 表面 。 而 根瘤 菌 的 表面 也 有 能 附着 于 大 豆 外 源 凝 集 素 的 部 位 ， 但 首 蒂 的 根瘤 菌 却 不 附 着 于 大 豆 根 部 的 外 源 凝 集 素 上 。 因 此 ， 这 种 植物 外 源 凝 集 素 演员 能 与 一 种 特殊 的 根瘤 菌 结 合 在 一 起 ， 人 们 集中 研究 外 源 凝集 素 与 根瘤 菌 结 合 的 细节 ， 一 旦 发 现 根瘤 菌 需 选 择 其 宿主 的 机 制 时 ,仿制 根瘤 菌 对 宿主 要 求 的 条 件 ， 引 导 根 瘤 菌 也 能 与 非 豆 科 植 物 共 生 ， 那 样 就 使 所 有 农作物 都 可 以 配制 上 生物 T27 毛 肝 六 下 5a ae cm NN. RPI, BA SRETRERILAD. PEALE 采用 工业 生产 的 方法 ， 以 天 然 气 为 原料 来 从 成 气 ， 需 要 消 新 很 天 的 能 量 。 如 以 无 机 铁 为 催化 剂 合成 所 时 ， 必 需 在 500"C 的 高 温和 300 个 大 气压 的 条 件 下 进行 35 而 旦 合成 所 的 效率 凡 然 很 低 , 想 是 同样 是 天 气 中 的 氨 素 在 固 所 苗 鸣 细胞 肉 ;真是 以 党 温 句 于 的 条 件 就 能 将 所 CHES NORA. URLS TDL tbs YAS Ge HEAL AE RAE AMAA RMB BLA PERIL WER ARERR. RAP ARORA, (REN A RN Oe BY HOLS» aT SPL RRR TE 1 HET, (WEE TEE OE AOEIS, BCT RL AL claire pales 拟 引起 了 国际 上 生物 化 学 和 化 学 工作 者 的 重视 而 且 已 经 取得 一 些 可 宫 aires cae aA SE we TAS ine HHI. W L960 BUR Nb eae ARIE TORE EL SENS PPL, FeRAM set rine eben aC Ata HEHE MLE. AERO HSU HES, TLC Betis | ix TE 138 rerio ea cle Fal EY TAS > EVER, ABW BOR AIBCES. SHEER ade N22, a eS Re SE ASS FA I50700, BA—-AADF-4E 59500, RE AE-- AVES, AA DRAS Y F-E507 0015 aE HE AUIS > FE 128 59500 的 亚 基 ， 含 有 2 个 锅 原 子 。 铁 和 不 稳定 的 硫 的 含量 均 为 en: HERRON 构 极 为 相似 的 分 子 量 为 55000, 它 是 由 两 个 完全 相同 的 亚 基 组 成 。 亚 基 的 分 子 量 为 27500， 它 是 一 个 二 聚 体 含有 4 个 铁 原 子 。1974 年 我 国 科学 工作 者 已 经 获得 了 国 氨 酶 钼 铁 蛋 白 结 晶 ， 一 年 以 后 又 在 世界 上 第 二 次 成 功 地 分 离 到 具有 高 度 酶 活性 的 钼 铁 蛋 白 二 聚 体 。 关于 国 亿 酶 因 氨 作用 的 机 制 尚未 十 分 清 起 ， 它 是 一 个 还 原 过 程 ， 因 此 必须 在 厌 氧 条 件 下 进行 , 当 固氮 酶 进行 固氮 时 ， 所 需要 的 能 源 为 三 磷酸 腺 背 〈ATP) 平均 每 还 原 1 个 分 子 的 氮 需 要 21 个 ATP。 钼 铁 蛋 白 不 断 地 向 四 周 捕捉 氮气 使 之 固 定 ， 进 而 合成 气 。 与 此 同时 钼 铁 蛋 自 则 被 氧化 ， 而 铁 蛋 白 与 ATP 结 合成 复合 物 ， 则 犹如 电子 泵 不 断 地 将 电子 供应 给 钼 铁 蛋 自 再 使 之 还 原 ， 以 保证 连续 不 断 地 进行 固定 氮 的 反应 。 两 各 蛋白 配合 默契 缺 一 不 可 。 随 着 对 固 所 机制 的 深入 研究 ， 对 于 固 氨 酶 的 人 工 模拟 将 会 取得 更 快 的 进展 ， 目 前 实验 室内 已 经 得 到 一 些 结构 较 简单 而 又 具有 国 气 酶 功能 的 模型 。 虽 然 尚 不 够 完善 ， 但 是 在 研究 生物 固氮 的 道路 上， 人们 已 前 进 了 一 大 步 。 我 国 近年 来 在 生物 固氮 科学 研究 中 开展 了 如 固氮 酶 的 竺 驳 化 学 、 化 学 模拟 以 及 固氮 菌 的 转移 等 方面 的 工作 。 为 发 展 我 国 农业 所 需要 的 氮肥 寻 找 新 途径 ,取得 了 可 喜 的 进展 ， 进行 了 大 量 的 工作 。 采 用 化 学 仿生 揭 方 法 对 国 氮 酶 化 学 模拟 汐 成 荔 对 化 学 工业 的 生产 也 将 产生 深远 的 影响 。 四 书馆 A OLN 4 el Bae ME mM mh | ,0.3 一 ~ 一 一 一 一 一 一 一 OO ae OTT SPR BY lp)? i 总 uty f 外 0271186 nh AE 生物 与 仿生 OD # tL Sa * 天 津 科 学 技术 出 版 社 出 版 天 津 市 赤峰 道 124 号 天 津 新 华 印刷 二 厂 印 刷 新 华 书 店 天 津 发 行 所 发 行 * FPA 787x1092 毫 米 1/32 MH 4.25 字数 88, 000 —HL)\ GFE AB—m — FLAPS AR KE al ma: 1—1e 400 书号 ，17212.8 af: 0.53 元 责任 编辑 ， 黄 立民 23805 hi Hp Se, (154 TEMP S Bi a 9 hea 乡下 /及 月 Ge G Jal 58.1719 444