鲎和鲎眼仿生

鲎和鲎眼仿生

除我国福建、广东和浙江外，在北美、中美、东南亚沿海生活着一种古老的节肢动物，叫做鲎。它的身体可分成头胸、腹和尾三部分。头胸和腹的背面覆盖着蟹壳似的甲壳，形同马蹄，所以有人称它为马蹄蟹。尾部像一把锋利的长剑突出在体后。鲎生活在沙质海底，夏天常见雄鲎爬在雌鲎的背壳上，相随活动，形影不离。退潮时雌雄结伴爬行在沙滩上，以蠕虫和无壳的软体动物为食。

有很多理由使鲎扬名于世：一、它在节肢动物中的特殊地位，虽然同蟹一样也具有坚硬的甲壳，但是它不属于甲壳纲动物，在它头胸部的腹面有6对关节的附肢，前5对末端呈螯状，第2～6对基部都有咀嚼面围住口部，因此，它属于肢口纲动物。这个纲仅仅发现过两类，其中巨甲类早已成为化石，现在还存活着的剑尾类就是鲎。它的幼虫非常像三叶虫的成体，足以证明鲨的古老。将1．75亿年前的鲎化石与现存的鲎比较，在演化上还看不出有什么变化，因此，人们称它为活化石。二、通常血液是红色的，然而鲎的血液竟是蓝色的，因为鲎血中含有0．28%的铜元素。更有价值的是鲎血对细菌十分敏感，一接触到很快就会凝固。人们便将鲎血制成试剂，用来测检人体、药物和食品等是否被细菌污染，既快速又准确。三、尚未发现鲎有什么经济价值，因此收购便宜。鲎的生命力又强，能离水生活很久，只要满足其湿度和凉爽的条件，就能经受长途运输，这些对作为实验材料来说是十分理想的。四、最吸引人的是鲎的视觉器官，它有一对单眼和一对复眼。同许多昆虫的复眼一样，鲎的复眼也是由许多小眼镶嵌而成，每只小眼都有水晶体、感光细胞和与之相连的神经纤维。但是，鲎小眼体积大，神经纤维也粗，给研究工作带来方便。美国洛克菲勒研究所的哈特兰（H．K．Hortline）等人就是用鲎的复眼作为研究对象，才发现鲎的视觉侧抑制现象，并研制出侧抑制数学模型。美国通用电气公司高级电子中心的工程师们根据鲎的视觉侧抑制原理研制出鲎眼电子模型，从而使电视荧屏上的图像更加清晰。应用鲎眼技术可提高X光和宇航摄影的清晰度。应用在军用雷达显示器上同样收到良好的效果。

为了理解鲎视觉侧抑制究竟是怎么一回事，为什么能起到如此的作用，我们通过眼睛来观察周围物体的形状、明暗、颜色、距离和运动等情况。但是单靠眼睛再看也只是熟视无睹，能见的是大脑，外部物体通过晶状体的聚焦作用，使来自被注视的物体上的光聚焦在视网膜上，视网膜是多层结构，相当复杂，其中有三级神经细胞构成视觉传导：第一级神经细胞是感光细胞，只要是眼睛，不论简单或复杂，在视网膜上都有感光细胞，可分为锥感光细胞和杆感光细胞，前者能接纳光波长短的刺激，能辨别颜色；后者能接受光的强弱，感光细胞是唯一能感受光的细胞。因为它含有感光色素，目前了解得最多的感光色素是视紫红质，它是维生素A醛和视蛋白的结合物，光线射到感光细胞上，把视紫红质色素漂白，以后在维生素A的辅助下，用呼吸作用所获得的能量重又合成视紫红质，在此光化学反应过程中，将光能转化为电能，引起神经兴奋，发放信息，信息的大小就是脉冲频率，即单位时间内发出的脉冲数。第二级神经细胞是双极神经细胞，它的一极与感光细胞相联系，另一极与第三级神经细胞——视神经细胞相联系，视神经节细胞发出视神经纤维，由许多视神经纤维集结成视神经把来自视网膜上的信息输送到间脑的外侧膝状体，交换神经细胞后，沿着外侧膝状体放出的视放线继续输送，信息经过如此复杂的线路时加以整理后送到大脑背面的视区，在视区上这些经过整理的信号把视网膜上众多感光细胞形成的镶嵌图像译成画面，使大脑获得外界的形象。如果用放大镜去观察报刊上的图版和电视屏幕上的影像，可发现它们也都是由许多小点镶嵌成的，这就较易理解脑是怎样接收影像的了。

现在再来谈谈视觉的侧抑制，首先被发现于鲎的复眼中，后来发现许多动物，如猫、猴等都存在着侧抑制的现象。哈特兰及其助手用鲎的复眼做实验，把精密的微电极的一端插入一个小眼的视神经纤维上，另一端接到测量放大器的输入端，观察其对光输入的反应，当光束照射这个小眼时，从微电极上记录到一串脉冲，脉冲的大小基本与光强度的对数成正比，把两根微电极的一端分别插入两个邻近的小眼视神经纤维，另一端各接测量放大器，用同样强度的光束同时照射到这两个小眼，从两者的微电极上都记录到脉冲，但是，这两者的输出脉冲频率都比单独照射时的频率低。这就表明：当一个感光细胞受到光刺激引起兴奋，可使相邻的感光细胞受到抑制，也就是说各个小眼的输出起着减少附近小眼的输出作用。由于这种抑制作用是通过小眼视神经纤维之间的侧向联系网络来实现的，因此，哈特兰把它称为侧抑制。侧抑制起着加强对比度的作用，使物体的轮廓突出，从而所见形象也就更加清晰了。可以想象，当海中物体的光投入鲎眼复眼中的那部分小眼引起兴奋，产生脉冲，由于侧抑制，抑制了这部分小眼以外的小眼发放脉冲，这样在鲎脑的视觉中枢上接收到的信号就有明暗的反差，于是，物体的轮廓也就清晰地显示出来。前面已经提及电视屏幕图像是由一个个小点凑合而成，当要在屏幕上显示电视片名时，如果把拼成片名的那些点变亮，同时把片名以外的那些点变暗，这样由于黑白对照分明，片名就会显得格外清晰。鲎眼仿生是仿生学上的成功事例之一。