長著“機(jī)器”的小生物

雖然自然界的一些生物體形很小，但是它們身體里竟然有非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)或機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中不少與人類的發(fā)明不謀而合，這不能不讓人感慨進(jìn)化的神奇。

蠟蟬的生物“齒輪”

齒輪由于傳動效率高、傳動比準(zhǔn)確、功率大，成為一種在工業(yè)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的機(jī)械元件，在汽車、手表和鉸鏈等的內(nèi)部都有齒輪的身影。有意思的是，英國科學(xué)家最近首次在一種動物——蠟蟬身上發(fā)現(xiàn)了類似齒輪的結(jié)構(gòu)。動物一般以跳躍的方式進(jìn)行快速移動。為了逃離險(xiǎn)境，蠟蟬跳得不但快而且遠(yuǎn)，而這種超群的跳躍能力離不開它們腿部的“齒輪”。

體形較大的動物一般通過神經(jīng)系統(tǒng)來控制跳躍：當(dāng)腿部撐開進(jìn)行跳躍時(shí)，必須通過穩(wěn)定的調(diào)節(jié)和反饋回路來保持雙腿同步，否則動物就會失去控制。而蠟蟬雙腿肌肉的收放速度比神經(jīng)信號的傳遞速度更快。在跳躍過程中，蠟蟬將兩只后腿鎖定在準(zhǔn)備跳躍的位置（兩腿運(yùn)動的同步精度達(dá)到了30萬分之1秒），并繃緊身體積攢勢能。在它兩只后腿的頂部，有一對魚翅狀的小“齒輪”像拉鏈一般整齊地互相咬合，在短短2毫秒內(nèi)，蠟蟬可以以普通家用轎車最大起步加速度82倍的加速度向前彈出，最高瞬時(shí)速度超過每小時(shí)12.8千米。這個(gè)速度看上去也許并不驚人，但蠟蟬的體長不到2.5毫米，如果將蠟蟬等比例放大到汽車大小，蠟蟬的最高運(yùn)動速度將超過每小時(shí)1萬千米。

蠟蟬并不是在整個(gè)生命周期里都具備這對“齒輪”。在幼年期，蠟蟬會進(jìn)行六七次蛻皮，更新包括“齒輪”在內(nèi)的外骨骼。但在蠟蟬最后一次蛻皮成為成蟲之后，這對“齒輪”會消失。成年蠟蟬通過摩擦使雙腿在跳躍時(shí)同步。雖然像蠟蟬這樣的跳躍昆蟲還有很多，但只有蠟蟬具有天然的生物“齒輪”。

蠟蟬及其生物齒輪

細(xì)菌的鞭毛“馬達(dá)”

細(xì)菌和一些原生生物依靠鞭毛在液體中移動或入侵宿主。細(xì)菌鞭毛的長度通常是菌體長度的若干倍。細(xì)菌鞭毛自細(xì)胞膜長出，游離于細(xì)菌細(xì)胞外，由遠(yuǎn)端的鞭毛絲、近端的鞭毛鉤和埋置在細(xì)胞壁和細(xì)胞膜中的基體（一種起著旋轉(zhuǎn)引擎作用的驅(qū)動蛋白）組成。鞭毛絲位于鞭毛鉤以外的遠(yuǎn)端部分。鞭毛鉤是連接鞭毛絲和基體的部分?；w連接于鞭毛鉤的近端，是鞭毛中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，保護(hù)一條中心桿和與其相連的2～4個(gè)環(huán)。

細(xì)菌的鞭毛是螺旋狀的纖維，像螺絲一樣旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動方式屬于生命系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。而真菌走上了和細(xì)菌不同的演化道路——真菌的鞭毛是彎曲運(yùn)動。在細(xì)菌鞭毛的底部，基體不僅起固定作用，而且是鞭毛運(yùn)動的關(guān)鍵部件。鞭毛絲是半堅(jiān)硬的“螺旋槳”，推動細(xì)菌前進(jìn)。鞭毛鉤比較靈活，相當(dāng)于鞭毛的“萬能關(guān)節(jié)”。中心桿穿過L、P、S環(huán)（這三個(gè)環(huán)固定在細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上，起軸承的作用），可以自由轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于“傳動桿”。M環(huán)固定在中心桿的向心末端，相當(dāng)于鞭毛的“馬達(dá)”。鞭毛“馬達(dá)”旋轉(zhuǎn)并將扭矩傳輸給接頭裝置，然后傳給鞭毛絲，從而帶動鞭毛絲的轉(zhuǎn)動。細(xì)菌鞭毛1秒鐘可跑相當(dāng)于自身長度數(shù)十倍的距離，遠(yuǎn)超地球上跑得最快的動物獵豹。細(xì)菌鞭毛還是自然界最小的旋轉(zhuǎn)納米馬達(dá)之一，每分鐘“轉(zhuǎn)速”可達(dá)上萬轉(zhuǎn)。

細(xì)菌鞭毛及其原理示意圖

甲蟲體內(nèi)的“化學(xué)反應(yīng)室”

炮射步甲是鞘翅目肉食亞目步甲科的昆蟲。炮射步甲為了生存，進(jìn)化出了昆蟲界的“高溫化學(xué)武器”——炮射步甲會噴發(fā)出高溫的有毒液體攻擊敵人。然而，這種兇猛昆蟲的體長僅1厘米左右。

雖然炮射步甲體形小，但這種小蟲子很不好惹。它們的腹部尾端有兩個(gè)獨(dú)立的臀腺系統(tǒng)，其中每個(gè)臀腺有1個(gè)儲存室、 1個(gè)反應(yīng)室和流出通道。存儲室內(nèi)有無害的反應(yīng)溶液。當(dāng)炮射步甲受到驚擾或者遇到危險(xiǎn)時(shí)，兩個(gè)腔室內(nèi)的溶液（過氧化氫、對二苯酚）在反應(yīng)室內(nèi)快速反應(yīng)，形成有毒的苯醌。同時(shí)，反應(yīng)過程中的液體溫度快速升高，反應(yīng)室內(nèi)部壓力也迅速升高，使?jié)L燙的苯醌瞬間噴射而出，快速灼傷或者殺死敵人。

炮射步甲噴射高溫毒液

炮射步甲體內(nèi)反應(yīng)示意圖

雖然毒液射程只有幾厘米，但是噴射速度可達(dá)10米/秒。在噴射瞬間，苯醌的最高溫接近100 ℃，再加上苯醌對節(jié)肢動物的眼及呼吸系統(tǒng)有刺激作用，所以這種物質(zhì)可以有效擊退射炮步甲的敵人。若人的皮膚沾上這種有毒液體，會立刻被灼傷，紅腫疼痛，皮膚還會留下難聞的氣味。毒液噴出時(shí)伴有“砰”的聲響，高溫的毒液遇到冷空氣時(shí)迅速液化，產(chǎn)生一大團(tuán)霧，就像大炮發(fā)射后產(chǎn)生的煙霧。

為何高溫毒液不會燙傷炮射步甲自身呢？這是因?yàn)榧紫x身體內(nèi)部的管路已經(jīng)進(jìn)化出了能夠經(jīng)受一定高溫的保護(hù)劑，而且噴射速度快、頻率高（每秒鐘可噴射500次）的高溫液體在體內(nèi)的停留時(shí)間很短，幾乎不會傷害炮射步甲身體內(nèi)部組織。

蚊子口器的“自控系統(tǒng)”

蚊子的口器其實(shí)有6根“針”

炎熱的夏季，當(dāng)你忙著趕走叮咬你的蚊子時(shí)，有沒有產(chǎn)生一絲好奇：它究竟是如何吸走你的血的？雄蚊不會咬人，吸血的都是雌蚊。那么，蚊子吸血是不是將針管插進(jìn)血管，吸飽血后就離開？其實(shí)，蚊子吸血的過程并不是那么簡單。

蚊子的針狀口器可不是簡單的一根管子，而是一個(gè)很復(fù)雜的“自控系統(tǒng)”。蚊子的口器由6根細(xì)長的針組成。平時(shí)我們見到的蚊子“嘴”其實(shí)是蚊子的下唇，它像注射器的帽蓋一樣包裹著內(nèi)部的其他結(jié)構(gòu)，只在吸血時(shí)“針管”才會出“蓋”。當(dāng)口器其他部分刺入皮膚時(shí)，下唇會折疊起來，但下唇前端始終緊貼皮膚，起到引導(dǎo)和輔助“針管”的作用。在“帽蓋”里面，上顎和下顎是蚊子刺入皮膚的主要工具。上顎細(xì)長尖銳，下顎末端長有“刀片”和倒鉤，“刀片”可以切割組織，倒鉤可以防止“針管”在深入“鉆探”的過程中打滑。

蚊子沒有百分百命中血管的超能力，它們也需要經(jīng)過一番摸索才能找到血管。蚊子觸角和口器上攜帶的150多種受體蛋白質(zhì)可以幫助蚊子找到適合吸血的動物，或者判斷水塘是否適合蚊子幼蟲生活。蚊子的上下顎可以在皮肉間自由地彎曲游走，尋找合適的毛細(xì)血管。一旦找到血管，上唇就負(fù)責(zé)吸血。在電子顯微鏡下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蚊子上唇的尖端簡直就是復(fù)刻版的注射器頭部。

蚊子通過舌把唾液注入人體，其中含有抗凝血和麻醉成分。在這些物質(zhì)作用下，蚊子吸血時(shí)不會輕易被動物發(fā)現(xiàn)，并且吸取的血液也不會凝固。最后，上唇負(fù)責(zé)把動物的新鮮血液送進(jìn)蚊子腹中。

蚊子吸血的“針”與注射器的針尖對比

蚊子將口器插入人類皮膚吸血