赛先生在线

“无脊椎动物的繁荣”展厅“三叶虫”化石

摄：张一涵

大眼睛三叶虫 来源：http://blog.novelsee.com/archives/29622

哇！真是啊！这么突出的大眼睛，上面还有好多好多小点点。

这每个小点都是一个个的小眼睛，叫单眼，由这么多单眼构成一个大的复眼。现生昆虫的眼睛也是这种复眼结构。比如苍蝇、蜻蜓的眼睛。当然，三叶虫这种古生物与现生昆虫的眼睛还是有一定的区别。现生昆虫的眼睛是所有的小眼全都包裹在同一个眼膜下面，叫“全膜眼”，而有一部分三叶虫（不是全部）是每个小眼都有单独的眼膜，叫做“裂膜眼”。我们今天要说的三叶虫的仿生学就和它的裂膜眼有关。

你知道LED灯吗？

知道啊，我家每个房间用的都是LED吸顶灯。

LED吸顶灯是由许多小灯珠组合在一起，构成一盏大灯，这些小灯都是安装在同一个平面上，并且每个小灯珠上都安装凸透镜，这是为了让光线通过凸透镜时发生折射，增加聚光，让光照更加均匀，眼睛会感觉更加舒适，同时也扩大了光照范围。

平板型LED灯 来源：https://www.smzdm.com/p/22047476/

但是这样一来，虽然光照均匀了，光照范围也扩大了，然而光线在通过透镜时亮度会有损失，为了增加亮度，就得使用瓦数更大的灯，那肯定更费电。中国地质大学的几位大学生，受到三叶虫的启发，模仿三叶虫的裂膜眼，设计出一种曲面的LED灯。这个设计的关键是把一个个LED小灯珠（相当于三叶虫的每个小眼）按照一定规律排布成曲面，而不是平面，利用曲面本身的折射效果，不用加装透镜，光照均匀度比传统的平板型LED灯的更好，照射范围比同功率的平板灯扩大了42.3%；由于不加装透镜，不仅降低了生产成本，还避免了光线穿过透镜时的光损耗，节约了电能。

那我可不可以认为无论什么样的LED灯，其实都是受到三叶虫的复眼的启发呢？因为很多LED灯都是像三叶虫的复眼一样，用好多小灯珠组成一个大灯。

你这种想法有一定的道理。在把许多小灯珠复合成一个大灯这一点上应该是受到三叶虫的复眼的启发，但是LED灯的每一个小灯珠的发光原理和使用的材料也都比传统的灯泡更节能。南京大学的两位教授，从三叶虫的复眼结构获得灵感，发明了一款“超构透镜光场相机”，这款相机不但能够消除色差，还能获取更大更极限的景深，实现高分辨率成像，拍照效果超级清晰，并且色彩更加真实。

三叶虫虽然灭绝了，可功劳真是不小啊！赛先生，在这个展厅里还有哪些“有功劳”的古生物呢？

那就让我们来认识一种单细胞的原生动物——“䗴”。这个字还是我国著名的地质学家李四光先生创造的呢。“筳”字指的是纺线用的纺锤，而䗴的形状很像纺锤，因此它也叫纺锤虫。李四光先生通过多年对䗴类化石的研究，解决了中国北方煤炭地区的地层划分问题，“䗴”成为石炭纪到二叠纪地层的标准化石。也就是说，只要地层中发现了䗴的化石，这个地层就可以认定是3亿年前的石炭纪到2亿5千万年前二叠纪的地层。

噢，也说明䗴是生活在大约3亿多年前到2亿5千万年前这段时间的吧？

对。小赛，你仔细看看这个展厅的柱子上，那些像大米一样的小白色点就是䗴的化石。

哇！好小啊！

别看它小，用处可不小呢。不但能够标定地层，还和石油有关系呢。

我只知道煤炭的形成和植物有关，那您说说石油怎么和䗴有关吧。

石油的形成的原因很复杂，至今还有争议，其中有一种观点认为是生物成因。这种观点认为，石油的形成与一些海洋生物有关。䗴就是其中一种。䗴属于一种大型的有孔虫，是一种单细胞动物，死亡后身体中的有机物被分解，在海底与泥沙和碳酸质的沉积物混合，形成沉积层，不断加厚，导致温度和压力上升，形成油页岩，再逐渐转化为石油。

这么说来，䗴果然是一种对人类社会“有功劳”的古生物。

不止于此，它很可能和双曲拱桥的设计还有关系呢。你看看这个双曲拱桥的图片，整座桥梁的桥拱横、竖两个方向都有拱形的结构支撑，这样就能够承载来自不同方向的更大的压力。

双曲拱桥 来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1667075450451461284&wfr=spider&for=pc

可是我没看出来这种桥和䗴有什么关系呀？

你来仔细看看䗴的结构：䗴的身体是一层层的，有一圈圈的壳组成，每层壳之间又有好多小隔间，每个隔间的隔壁和一圈圈的壳是垂直相交的(下图)，相当于在横竖两个方向都有支撑，这种构造对于䗴的身体的加固非常有效，也和双曲拱桥非常相似。我国第一座双曲拱桥是1964年建造的位于江苏无锡的“东拱桥”。当时的设计者认真研究了清明上河图中的木质拱桥，同时借鉴了民间砌坟圈的工艺。如今60年过去了，桥梁设计水平也先进了很多，但是双曲拱桥结构依然具有广泛的适用性。虽然目前我还没有看到过相关的文献说双曲拱桥的设计灵感是来源于䗴这种古生物，但是䗴的结构完全可以应用在双曲拱桥的设计上。

“无脊椎动物的繁荣”展厅“䗴的结构”

原来如此。说起桥梁设计啊，让我想起一座和恐龙有关的桥，就是四川重庆的涪江四桥。

对。马门溪龙大家都很熟悉，是生活在1.5亿年前侏罗纪晚期的一种吃植物的恐龙。它拱起的背部激发了设计者的创作灵感，合川马门溪龙又是在重庆合川发现的，在涪江上建起这样一座恐龙桥是再贴切不过了，所以也叫“合川恐龙桥”。

马门溪龙骨架化石 来源：https://www.meipian.cn/1z3utjiv

四川重庆涪江四桥 来源：https://www.sohu.com/a/190710484_719563

这座桥真是太漂亮了！加上夜景灯光，真是精美绝伦啊！

是啊，设计思路非常巧妙，可以说是工程设计与自然科学、美学完美结合的典范。下面我们再来看一个和恐龙有关的仿生学案例。请跟随我们到“古爬行动物”展厅。

“古爬行动物”展厅“姜氏巴克龙” 摄：张一涵

我们来看看姜氏巴克龙吧。它是鸭嘴龙类的恐龙，主要是吃植物的。恐龙因为没有臼齿，所以吃东西不会嚼，只能整吞。鸭嘴龙的牙齿特别多，很细密，剪切力非常强，就是为了在吃植物的时候切得更细，便于消化。并且有好几排牙齿重叠排列，外层牙齿磨损了，没法用了，内层牙齿会替换上来。于是，工厂的工人师傅们模仿鸭嘴龙的牙齿，发明了一种由两排刃齿组成的联动刃齿钻头，增加了剪切力，工效提高了将近两倍。这种钻头还模仿鸭嘴龙的多层牙齿，设计成内外两层，内层的刃齿嵌在较软的材料上，外层刃齿磨钝无法使用了，钻头继续旋转，把这层软材料磨掉，露出内刃齿，继续钻进。后来，这种设计经过二次转化，应用到了挖掘隧道的盾构机上。

盾构机 来源：http://www.china-sz.com/dungouji/

你看这个盾构机的图，一个大型刀盘在各个位置上都安装了许多不同的刀具，对整个隧道的岩石和泥土进行整体切削，大大提高了挖掘效率，同时也减轻了工人的劳动强度。

我听说上世纪70年代初期的时候北京只有2条地铁——1号线和2号线，都是人工挖掘的。现在有了盾构机，难怪北京的地铁这些年发展得这么快，都有19条线啦！这也得感谢古生物呢。

不仅是古生物，现生生物对盾构机的发明也有贡献。最早的盾构机是19世纪初期由英国人发明的，设计灵感来自一种叫做船蛆的软体动物。这种动物爱在木船上钻洞，给当时的航运业带来很大损失，却启发了发明家的设计灵感，创造了第一代手掘式的盾构机。经过200多年的不断改进，现在已经有了智能型的盾构机。我国盾构机的设计和生产目前处于世界领先地位，并且出口国外。

这是我们国家的骄傲，我也感到很自豪。

是啊。各项新技术、新产品的发明都离不开科学，科学的发展也离不开新的技术方法和仪器设备的支持，许多发明创造也都离不开自然科学的启迪，于是仿生学就应运而生了。

哈哈，我以后也要一边观察大自然一边动脑筋，说不定我也能有所发现呢！

参 考 文 献：

[1] “基于三叶虫裂膜眼的古仿生学LED灯具”，2011年挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛，

https://www.cug.edu.cn/info/10506/88136.htm

[2]“几百万年前的古生物，让“超镜头”实现极限景深”,

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1731153964032812080&wfr=spider&for=pc

[3]夏树芳 编著：《化石漫谈》，上海科学技术出版社，1978年10月

END

作者：陈小娓（国家自然博物馆志愿者）

专家审校：王宝鹏

音频讲解：李莉 赵圣鑫

责任编辑：郑钰

排版编辑：张一涵

文字校订：谢德

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