眼睛的奥秘:看见自然的神奇与人类的智慧

**章 探秘神奇的眼睛 **节 动物世界奇特的眼睛 在所有的感觉器官中，眼睛大概是动物世界中*变化多样的。动物经过数百万年的进化形成了10种以上特殊的视力系统，以适应它们各自的生存需要。从鸟类到鱼类，从爬行类到哺乳类，科学家们从动物身上获得灵感，参照不同的动物眼睛设计出高性能的人造眼睛。 让我们先来了解一下动物奇特的眼睛吧！ 一、视力“动”“静”迥异的青蛙眼睛 有人说，青蛙虽然是喜欢吃苍蝇的，但是，它只吃活的、飞行着的苍蝇，如果让青蛙坐在死苍蝇堆里没准儿它会被饿死。这是为什么呢？因为青蛙有一双奇特的眼睛（图1-1-1），它对运动的物体简直是“明察秋毫”，对静止的物体反应却是非常迟钝。青蛙的眼睛既不能像人类的眼睛那样轻微颤动，又没有特定的肌肉来调节突出的晶状体，它实际上是近视眼，只有附近运动着的物体，才能在它的眼睛这个“屏幕”上留下影像。因此，如果人站在路旁、沟边一动不动，青蛙就不会受惊逃走；而一旦人处于走动状态，这些青蛙就会因受惊而到处乱跳。 面对各种飞动的小动物，为什么青蛙可以立即识别出哪个是它*喜欢吃的苍蝇，而对其他飞动的小动物无动于衷呢？这是因为青蛙眼睛视网膜上的神经细胞非常特殊，与人眼具有的视锥细胞和视杆细胞两种视觉细胞不同，蛙眼有五类视觉细胞，其中一类只能分辨不同的颜色，而其余四类则分别捕捉运动目标的不同特征，然后再将信息传递到青蛙大脑的视觉中枢。青蛙的视觉中枢称为视顶盖，对应于前述的四类视觉细胞，在视顶盖中也有自上而下排列的四层视觉中枢神经细胞。**层是根据运动目标与背景的反差，识别目标的暗前缘和后缘的特征，如蚊子、苍蝇、飞鸟等，它们的特征是不同的；第二层主要是识别运动目标凸出来的边缘；第三层是识别运动目标的外周边缘；第四层则主要是识别运动目标的暗前缘的明暗变化，帮助它判断其运动轨迹。这四层神经细胞所感受的影像就好像画在四张透明纸上的图画，视觉中枢飞速地将它们整合在一起，从而就形成了一幅完整的图像。这种生理结构可以使青蛙的眼睛将复杂的图像分解成几种易于辨别的特征，从而使它能准确而灵敏地发现目标。因此，在各种飞动的小动物中，青蛙可以立即识别出哪个是它*喜欢吃的苍蝇，而对其他飞动的小动物或静止的物体就没有什么反应。 图1-1-1 青蛙的眼睛（文后附彩图） 青蛙的眼睛帮助青蛙敏捷地发现运动着的物体，且迅速、准确无误地判断目标的位置、运动方向、速度，识别出目标物体的形状，并且立即选择*佳攻击时间和攻击姿态。仿生学家根据这一特点成功研制出了电子蛙眼。与青蛙眼一样，电子蛙眼也设计了四种检测器，即识别图像的反差、凸边、边缘、阴暗四种功能。将电子蛙眼应用于雷达，就可以使雷达像蛙眼一样，敏锐、迅速地发现、跟踪飞行中的目标，准确地识别出特定形状的飞机、导弹等。电子蛙眼还可以根据导弹固有的飞行特征，区别真导弹和假导弹，从而大大提高军队的作战能力和防御能力。此外，电子蛙眼也大量应用于公路上的超速检测中。对于按规定速度行驶的车辆，电子蛙眼可以视而不见；一旦车辆超速，电子蛙眼就会灵敏地捕捉到目标，并拍下照片作为证据。对于闯红灯的车辆，电子蛙眼也能在预装指令的驱动下，立即追踪拍照。在几分钟内就有数架飞机起降的大型机场，如果只靠人工观察，很容易疲劳出错，弄不好将发生机毁人亡的悲剧。因此，机场都安装了电子蛙眼，便于及时捕捉飞机起降信息，一旦有差错，电子蛙眼会立即报警。此外，人们还根据蛙眼的特征发明了蛙眼相机，专门用于拍摄运动物体；蛙眼自行车则可以帮助骑车的人及时发现周围移动的物体。我们还能将蛙眼的特征应用到哪些领域呢？请打开你的脑洞，也许你就是下一个发明者。 二、昆虫的复眼 什么是复眼？在生物界，一些昆虫的眼睛非常奇特，它们的一只眼睛竟然有几只甚至成千上万只小眼睛。更奇特的是，每只小眼睛都发育有自成一体的一套视觉系统，都能看见物体。这种奇特的眼睛在动物学上叫作复眼。蜻蜓、螳螂、蜘蛛、蜜蜂、苍蝇等昆虫的眼睛都具有这样的特性。 1. 蜻蜓 蜻蜓的眼睛（图1-1-2）为什么这么大呢？因为蜻蜓的眼睛由成千上万只小眼睛组成，是复眼昆虫的代表。 在复眼昆虫的世界里，蜻蜓眼睛的复眼数量居于*位。现在发现，蜻蜓一只眼睛*多有28万只左右的小眼睛，数量是一般昆虫的10倍，因此，它看起来又圆又大，几乎占其头部面积的2/3。而且，蜻蜓眼睛具有非常有趣的功能：整个眼睛的上半部分负责看远处的物体，下半部分负责看近处的物体，这种分工使得它在捕食时远近包揽，及时准确。但是如果你快速在蜻蜓的眼睛上部晃动，它就会目不暇接，很容易被抓住，这也是蜻蜓眼睛的弱点。 图1-1-2 蜻蜓的复眼（文后附彩图） 蜻蜓复眼的每一只小眼睛上都有一个六边形的角膜，它们边与边相连，排列整齐有序，像蜂巢一样。外界物体在每个角膜后面都可以形成一个独立而完整的图像。因此在蜻蜓前面放一个物体，可以通过小眼角膜看到许许多多的图像。科学家通过模仿蜻蜓眼睛的构造，制成了复眼照相机，它不仅一次就能拍出成百上千张相同的照片，还可以利用这些小眼睛从不同视角去扫描视野范围内的运动物体，完美捕获其运动轨迹。另外，排列有序的小眼睛所形成的球面，使它几乎有360°的视野，全景拍摄得以实现。另外，仿生学家利用昆虫复眼的特征还研制了相控阵雷达，极大地提高了雷达发现和捕捉目标的能力。 2. 螳螂 你见过螳螂捕虫吗？看似瘦弱的螳螂安静地蹲在草地上，两只长着锯刀的前肢常常是直竖在胸前。一旦有小虫掠过，它就迅速跃起，前足死命一击，便将小虫一举捕获。螳螂捕虫的速度之快，令人瞠目结舌。一般情况下，不到50毫秒的时间，小虫就已进入螳螂肚内。螳螂的“武功”主要得益于它拥有一套比电子跟踪系统更灵敏的瞄准定位和跟踪观察装置。 螳螂的秘密武器有两个。一个是与蜻蜓一样的复眼，螳螂的复眼也有几千只小眼睛，每只小眼睛以1°～3°的轴心角呈凸面排列，看起来像一个蜂窝状的半球形。当小虫在螳螂眼前飞过时，小虫的影像就在其复眼里成像，并迅速传递到大脑。虽然每一只小眼只能看到一个个单镜头，就像电影胶片的一个个单镜头一样，但每只小眼可轮流感受运动的物体，这样它的大脑里就可以感觉到景物的运动了。 螳螂的第二个秘密武器是一个长在颈部的称为本体感受器的构造。螳螂的本体感受器主要由数以百计的弹性纤维构成，颈部左右两侧各有一组这样的感受垫。当小虫从螳螂右边飞过，在视角引导下，它的头部会自然地向右侧转动，使得右侧颈部的感受纤维受到挤压。随着它头部向右旋转的弧度增大，右侧的弹性纤维在挤压的作用下越来越多地形成程度不一的弯曲状态。同时，它左侧颈部感受垫里的纤维成相应数量地被拉伸。这样，左右感受垫形成的感受状态便会以不同的兴奋信号，通过神经冲动的形式，急速传到中枢神经系统，让它的大脑准确地判断出飞虫的运动速度。有了以上两个武器，螳螂就能成功地捕捉到猎物了。 研究者模仿螳螂复眼结合本体感受器的原理，设计出了虫眼速度计。虫眼速度计的用途非常多，将它安装在地对空、空对空导弹上，就能迅速地掌握导弹与目标间的相对速度和位置，并在强大的计算机技术支持下，指示导弹不断地调整方向与速度，将目标一举击毁。如果将虫眼速度计安装在飞机上，它便可以用来测量飞机相对于地面的