蛇的仿生学应用

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在中华民族的上古神话传说中，人首蛇身的女娲娘娘神通广大化生万物，被尊为创造万物的创世女神和大地之母。她捏土造人创造人类社会，她熔彩石补苍天，拯救了天、地、人三界。女娲娘娘为什么是人首蛇身的形象？原来，在我国的创世神话里，蛇族是上古神族之一。所以，古代人对蛇具有原始崇拜，并将开天辟地的大神盘古、繁衍人类的伏羲、女娲等神话人物都塑造成人首蛇身的形象。

新疆出土的伏羲女娲图|Wikimedia

在古代，蛇是非常尊贵的动物，其生命充满顽强的活力，它被赋予到女娲身上，其实就是人们对于蛇的崇拜。古人为什么会崇拜蛇呢？一是因为蛇的繁殖能力很强，上古时期生存环境恶劣，导致人类繁衍速度缓慢，所以古人十分推崇繁殖能力强的各种动物。二是因为蛇没有四肢，却能自由爬行，不论是水中还是陆地上都能生存，人们观察到冬眠的蛇会在春天复苏从而认为蛇具有“起死回生”的能力，并且蛇还会蜕皮再生，这让生存条件极为艰苦、饱受大自然胁迫的古人心生敬畏。于是，古人便把蛇作为图腾加以崇拜，认为这样蛇就会保护自己。蛇也是龙的最初形象，国人崇拜的龙实际上也是蛇的衍生和美化。

蛇图腾|Shenghung Lin/Flickr

老祖宗的谚语说，“水蛇盘柴头，地下大雨流”；“燕子低飞蛇过道，大雨不久就来到”。当天气有异常变化时，蛇能灵敏的感知并能做出反应，人们可据此预测天气的变化，及时安排调整农事活动。这些都是我国劳动人民在长期的生活实践中，根据蛇类的异常行为总结出的智慧结晶。

研究发现蛇对气压、温度变化及地震波极为敏感，对地震发生前的异象反应快速而准确。科学研究已经证实，蛇能感知地震前的环境变化，有两个原因：一是触觉高度灵敏，能精准地感触到地面或周围物体的轻微震动，迅速做出反应；二是具有“红外感受器”，能十分精确地检测出周围环境中极小的温度变化并做出反应[1]。因此，蛇类的“先知先觉”就成了震前的预警，以前这种预警往往被人类忽视。近年来，许多国家都把“动物哨兵”纳入地震综合预报指标，目前已经研究发现可测震的动物多达几十种，其中，蛇对地震前的信息反映最为灵敏[1]。所以，蛇又被称为“活的地震仪”。

蛇在地球上生存进化了亿万年，比人类出现的历史要久远得多。最早的蛇类化石出现于大约一亿三千万年前的白垩纪早期，但科学家推测蛇类可能在最早的侏罗纪时期就出现了，其进化史长达一亿五千万年；但是毒蛇直到大约2700万年前才进化出来[2]。在亿万年的进化历程中，蛇虽然没有进化出四肢，但却进化出了爬行、攀岩、游泳、跳跃，甚至短距离滑翔等本领，这些也是它们得以在各种环境中生存下来的基础[3]。蛇的视觉很差。蛇没有外耳和中耳，只有内耳，它的听觉也很迟钝，但是内耳对于从地面传来的震动却极为敏感，所以我们在荒芜的草地上行走时，用棍棒敲打地面或加重脚步就能把蛇吓走，这就是“打草惊蛇”的道理。

蛇类中的蟒蛇（蚺科）和蝮蛇（腹亚科）具有颊窝[4]；颊窝长在眼睛和鼻孔之间，它具有探测周围环境中目标温度变化的功能[5][6]。以蝮亚科的响尾蛇为例，响尾蛇的颊窝内仅有一层1/40 mm的薄膜，薄膜上分布着五对神经细胞的神经末梢，就好像无线电的热敏元件，对温热变化非常灵敏可进行“热定位”；颊窝能在不超过0.1秒的时间范围内感知远处猎物0.01℃的温度变化；所以，科学家又将颊窝称为其“热眼”或“红外感受器”[7]。

眼睛与颊窝两个感官对侧屏蔽示意图|[5]

响尾蛇（蝮亚科）就是靠颊窝的热定位器探测周围环境中目标物体的典型代表。仿生学家利用颊窝的热探测原理，设计发明了种种红外线自动跟踪监测设备，其灵敏度已经远在蛇类之上。其中，最具有代表性的发明就是响尾蛇导弹。这种空对空导弹对热极为敏感，配备有红外线自动跟踪制导系统，发射后能追踪喷气式飞机喷射发出的热气流，继而准确无误地击中目标。

响尾蛇导弹|David Monniaux/Wikimedia

除了响尾蛇导弹，现今仿生蛇类红外探测原理的各种产品应用非常广泛。例如：红外夜视仪、红外辐射热成像拍摄仪、红外显微镜等，这些有的被用于军事，有的则用于医学领域诊断疾病，有的则用于电子工业中检测有缺陷的电子器件等等。此外，蛇的体型、构造、运动方式等方面都具有其独特性，我们现代生活中的许多发明灵感也源自于蛇类生理功能的仿生学应用。例如：坦克车和拖拉机行进中的履带，就是脱胎于蛇爬行时接触地面的运动模式。

蛇形机器人| jiuguangw/Flickr

科学家还仿生设计出了“蛇形机器人”：在危险性大、封闭的复杂环境中，普通的机器人无法完成检测或探查任务时，这种蛇形机器人就可以大展神威了。比如，可以用在重大灾难的搜索救援中，或是将其微型化后，在不开刀的情况下，导入人体，观察体内情况、完成微型手术等医学用途。

野生动物是环境质量的生物指示器，是生态系统稳定的基石。包括蛇、龟、蜥蜴、鳄在内的许多爬行动物对环境都十分敏感，它们中的许多种类正在与我们人类渐行渐远，变得越来越濒危。希望通过本文，让公众了解它们少为人知的仿生用途，唤起大家关注濒危爬行动物的现状，加入到相关保护活动中来。

作者：杜迎春、杨菊凤

参考文献:

[1]杨世诚.蛇——活的“地震仪”[J].森林与人类,2000(02):29.

[2]白明亮.癸巳说蛇[J].大自然,2013(01):21-23.

[3]张亮.爱蛇者说[J].生命世界,2013(02):4-15.

[4]陈勤,杨萍,唐业忠.蛇类红外感知研究进展[J].生物学通报,2013,48(01):1-7.

[5]唐业忠,陈其才,陈勤.动物特殊感知系统的研究进展[J].科学通报,2016,61(23):2557-2567

[6] Noble G. K., A. Schmidt. The structure and function of the facial and labial pits of snakes. Proceedings of the American Philosophical Society,1937,77(3):263-288.

[7]黄坚.蛇助兵器显神通[J].中国军转民,2013(01):61.