Author: Оприш Т.  

Tags: кибернетика  

Year: 1986

Text
                    

ТУДОР ОПРИШ ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ БИОНИКА ИЗДАТЕЛЬСТВО “АЛЬБАТРОС” БУХАРЕСТ, 1986
О книге Зарождение новой науки о По страницам истории о Трудный момент и гениальное решение о Бионика и ее маленькая семья о Предварительный итог и перспективы на будущее Воздухоплавающие и летательные аппараты и их патенты о Пауки и первые воздушные шары о Планеризм, ветряные мельницы и... летающие тарелки обязаны своим происхождением семенам о Модели самолетов Плавание, парение и погружение в воду было и до Архимеда о Плавание - подражание животным о Живая "галера" и "галера" Колумба о И морские растения научили нас плавать о Погружение и бионика о Длительное пребывание под водой Архитектура и наука о строительстве заимствуют у природы удачные решения о Пчелы и секрет шестиугольных домиков о Бобры и гидротехника о Мудрая геометрия яйца о Диатомеи, радиолярии и строения будущего о Растения революционизируют архитектуру о Подсолнечник и гелиотропические сооружения Предвидение природных явлений о Эмпирическая метеорология о Живые барометры о Самые чувствительные сейсмографы Эхо и техника о Не "изобрели" ли летучие мыши радар? о Моль, "бесшумные" самолеты и звуковой шум о Морская эхолокация о Слепые могут видеть с помощью звуков Механизмы, инструменты и орудия труда, запатентованные миллионы лет назад о Отражающие зеркала о Оптика учится у лягушек и крабов о Детекторы тепла, чувствительные к инфракрасным лучам о Буры и сверла о Гидравлические локомобили и пневматические механизмы 2
о Ходячие присоски о Каски каскадеров и дятел о Детектор воды о Медицинский кабинет природы Биолюминесценция и перспективы холодного света о Огни Люцифера о Зачем нужна биолюминесценция и что она подсказывает бионике? Биоэлектричество, биомагнетизм и биоакустика открывают новые пути о Растительные и животные компасы о Электрошок, подводный электролокатор и электрический язык рыб о Биотоки существ, обитающих на суше о Воспроизводство голосов природы Химии предлагаются модели о Опреснение морской воды о Более простой способ производства азотных удобрений о Органический синтез продуктов питания Тепло животных и некоторые перспективы в области техники о Удивительный инкубатор о Другие терморегулирующие установки о Термостат млекопитающих и человека Человек в сфере внимания бионики о Эйфелева башня и ее биологическая модель о Электронный "нос" и передатчик запахов о Мышца - непревзойденный двигатель о Чувства и их техническая модель о Электронный мозг Биологические решения проблемы повышения надежности о Риск, связанный с ненадежностью о Внимание снова обращено на мозг о Бионика вмешивается Выборочная библиография 3
Зарождение новой науки По страницам истории Бионика как самостоятельная наука относительно молода. Она зародилась в 1960 г. на международном симпозиуме в Дейтоне (США) на тему "Живые прототипы искусственных систем - ключ к новой технике", а первые работы но бионике начали появляться в США и СССР в начале семидесятых годов. Впервые "бионикой" стали заниматься в эпоху бурного расцвета Возрождения после средневекового застоя, когда такие гениальные умы, как Леонардо да Винчи, выявили аналогию между творением человека и природы и показали, что имитация или использование моделей природы может дать технические преимущества. Как хорошо известно, полет птиц или плавание рыб навели великого художника и изобретателя эпохи Возрождения на мысль о моделях первых планеров, парашютов, подводных лодок. Важным моментом в истории бионики было развитие механики, основы которой заложил английский физик Исаак Ньютон (1642-1727) в работе "Математические начала натуральной философии". Его механика была дополнена законом Гука (Роберт Гук, 1635-1703), ставшим основой техники, фундаментом рационального проектирования машин и механизмов. Первым практическим аспектом бионики стало изготовление автоматических механизмов, имитировавших живые существа: людей, животных и растения. В этом направлении успешно работали Вокансон, Пьер Жаке-Дроз, Мелтцел и многие другие. Они изобрели механические конструкции со сложной, но ограниченной программой действия: фигурки играющего флейтиста, шахматиста, передвигающего фигуры, танцующей балерины, пишущего мальчика, пастуха, погоняющего овец, плавающей утки, курицы, клюющей зерна, цветка, раскрывающего лепестки 4
при звоне колокольчика и т. д. В XVIII и даже в первой половине XIX века существовала настоящая мода на антропоморфные, зооморфные или фитоморфные механизмы. Не было дома, который не имел бы музыкальных "ящиков", часов с кукушкой, механических кукол или животных. Музеи древностей полны таких доказательств технической изобретательности. Шаг вперед в бионике был сделан одновременно с прогрессом автоматики, позволившим сделать переход от подражательных, чисто декоративных механизмов к подсказанным природой механизмам, которые могут эффективно работать в промышленности. Они переносили модели из природной среды в область техники на основе аналогий. Правда, об автоматических механизмах упоминалось и в древности. Так, Герои Александрийский сконструировал автоматы с постоянной программой, такие, например, как система автоматического открывания дверей храма, когда зажигался огонь на медном алтаре, или аппарат, отпускавший автоматически воду при опускании в него монеты. Но настоящая революция автоматики, несмотря на существование автоматических счетных машин Паскаля, Беббиджа Холбрита, Зусе или Шиккарда, происходит после зарождения кибернетики. Первый электронный функции- ональный калькулятор "Марк I" Говарда Эйкена в 1944 году имел чрезвычайно малую скорость (0,3 секунды на одну операцию сложения, 5,5 секунды на одну операцию умножения) по сравнению с машинами 1980 года (250 млн. операций в секунду). Прогрессу бионики способствовали и успехи в развитии средств связи, когда электроника и кибернетика были внедрены во все средства передачи информации. Таким образом стало возможным осуществить и оптимизировать автоматическую передачу большого количества 5
информации, связанной с живым организмом, созданному по аналогии с ним механизму в технике. Трудный момент и гениальное решение В прошлом веке здание биологии, в то время науки описательной, казалось почти законченным. В грандиозном описании природы были перечислены, закреплены, каталогизированы все низшие и высшие растения, а также огромное число плавающих, летающих прыгающих, ползающих, бегающих животных, одним словом, все, что существует на земном шаре. И все же еще много вопросов оставалось без ответа. Только в начале нашего века стали раскрываться великие проблемы генетики, физиологии мозга, психики, систем коммуникации в животном мире, экологии; данные накапливались медленно, и выводы формулировались осторожно. Успехи (некоторые из них захватывающие), относящиеся к познанию, сохранению и улучшению природы, не оправдывали полный самодовольства лозунг, звучавший в середине нашего века: "человек - хозяин природы". Последние десятилетия, несмотря на научный и технический прогресс, показали, сколь уязвимы и нередко беспомощны люди перед землетрясением, тайфунами, засухой, разрушением природы из-за плохого хозяйствования, как еще плохо знает человек механизмы "современных" болезней, насколько отстает в познании души и использовании скрытой энергии мозга, сколь бедно и односторонне общается он с остальной живой природой, сколь непрочны и преходящи наши гипотезы. В начале XX века лауреат Нобелевской премии лорд Кельвин категорически заявил: "Здание физики выстроено; нашим потомкам остается только прикрыть некоторые прорехи и выполнить небольшие отделочные работы". Несколько лет спустя после этого торжественного заявления здание классической физики закачалось, стало 6
видно, что оно фактически представляло собой только одно крыло огромного, еще далекого до завершения современ- ного здания науки. К 1950 году наступил кризис и в технологической области. Инженеры стали констатировать, что аппараты, действующие на земле, в воздухе, под водой, не отвечают требованиям времени. Инструменты, применявшиеся в медицине и геологии, в воздухоплавании и навигации, в химии и астронавтике, были обвинены во всех дефектах. Стали говорить об их ограниченной гибкости, о чрезмерной сложности, преувеличенном объеме и недостаточной эффективности. Человеческое недовольство обычно является плодотворным. Ведь известно, что во многих случаях оно давало импульс научному прогрессу. Но это чувство неудовлетворенности не оправдывало ни скептицизма, ни пессимизма, которые начали распространяться в научном мире в середине века. Казалось смешным обвинять в бездеятельности и в неэффективности разум человека. Французский биолог, тоже лауреат Нобелевской премии, Ж. Моно начал в какой-то степени успокаивать страсти. Чтобы дать объяснение такому отставанию, он прибег к научной метафоре, уплотнив всю историю Земли от зарождения до наших дней до одних суток - 24 часов. По этой модели наша планета образовалась в космическую полночь в 00.00 часов. И лишь в 12 часов дня начали двигаться коацерваты в океане планеты. Через 3 часа эти протоклеточные стали многоклеточными червями, ракообразными, водорослями. Затем появились рыбы, и вскоре они устремились на сушу и, превратившись в земноводных и пресмыкающихся, заняли планету. За 40 минут до конца суток крупные рептилии исчезли, и началось господство млекопитающих. Человек же появился в 23 часа 59 минут 56 секунд. Следовательно, по космическому времени он существовал всего лишь 4 секунды. Что касается срока его сознательного 7
исторического существования, от дикости до наших дней, то он еще короче: четверть секунды. Таким образом можно измерить огромное отставание человека от живой природы в области создания некоторых аппаратов, предназначенных воздействовать на Вселенную. И все же за эту четверть секунды человек сделал удивительные вещи. Он мог бы вменить себе в вину лишь медленный темп ликвидации разрыва между качеством своих изделий и качеством созданий природы, полученных за сотни миллионов лет благодаря медленной эволюции в результате неумолимого и сурового процесса естественного отбора. Следовательно, в начале XX века ставился вопрос не столько о кризисе научной мысли, сколько о кризисе в области технических решений. Чувствовалась необходимость революционных обновлений, которые отвечали бы экстраординарному темпу развития общества и все более возрастающим запросам современного человека в условиях демографичес- кого взрыва. Прогресс биологических исследований выявил необходимость совершенствования некоторых моделей природы, более простых и эффективных, чем их выполненные техникой аналоги. Все же эти две категории научных дисциплин действовали раздельно. Техника отклонила идею, что человек мог бы учиться у природы; биология не допускала, что живые организмы могли бы быть описаны или интерпретированы "механистически". Лишь после 1948 года эти две дисциплины стали объединяться в одну дисциплину, предтечей которой стал румынский врач Шт. Одоблежа, а современным создателем - американский математик Норберт Винер. Первый назвал ее в 1938 году "консонантистской психологией", а Винер взял термин Ампера и окрестил ее через 10 лет "кибернетикой", и этот термин быстро распространился по всему миру. 8
Целью новой науки было изучение процессов управления и связи в живых организмах и автоматических механизмах, которые получают, анализируют и передают различную информацию. Эра автоматических машин, электронного мозга и роботов с саморегулировкой и автоматическим управлением была открыта. Начался триумфальный марш технических побед, вершиной которых стали космические полеты и высадка человека на Луну. Плавание, парение и погружение в воду было и до Архимеда Плавание - подражание животным Примерно 2000 лет назад Архимед сформулировал законы плавания, согласно которым, чтобы тело с большей плотностью, чем плотность воды, не погрузилось в воду, нужно уравнять собственный вес с весом вытесняемого объема воды. Практически это достигается двумя путями: уменьшением веса или увеличением объема. Первый путь, к которому относится плавание, был выбран наземными животными, вынужденными переплывать водные преграды при поиске корма, во время миграций или при бегстве от хищников. Олени, лошади, буйволы, бизоны, собаки, волки и другие более мелкие млекопитающие показали, что они обладают надежными рефлексами при плавании в воде. Известен случай, когда огромные скопления саранчи в 1928 году преодолели рукав Сфынтул-Георге в дельте Дуная, проплыв вниз по течению 12 км. Вполне возможно, что и первобытные люди, которые в результате эволюции потеряли инстинкт плавания (он сохранился только у детей в возрасте 2-4 недель), научились плавать у наземных животных, которые вынуждены были преодолевать водные преграды, и даже у морских млекопитающих, плавающих по морям и океанам. Так появились "стили" плавания по названиям животных: 9
стиль "по-лягушачьи", стиль "по-собачьи", стиль "дельфин". Плавание, которое фактически является суммой скоордини- рованных в определенном направлении движений рук и ног, уменьшающих тяжесть тела путем увеличения вытесняя- емого объема воды, непрерывно совершенствовалось в результате применения законов гидростатики и гидродинамики, что позволило сделать более легким и быстрым продвижение в воде, превратив плавание из необходимости в физические упражнения, а затем в спорт. Планеризм, ветряные мельницы и... летающие тарелки обязаны своим происхождением семенам Крылья первых смелых мифологических путешествен- ников, а затем планеры, созданные гениальными умами эпохи Возрождения, были изобретены как по модели крыльев птиц, так и по подобию системы распространения семян анемохорных растений при помощи ветра. С целью сохранения вида тенистые растения или растения, находящиеся в стесненном положении, стремятся как можно дальше отбросить от себя свое потомство. Поэтому они создали для своих потомков планеры или парашюты. Из-за большой площади и малого веса семена летают в воздухе по закону Архимеда. Они противостоят ветру как корабельные паруса, и таким образом при сильных порывах ветра семена относятся как можно дальше. Лесные деревья являются большими мастерами строить планеры. Их планеры очень просты: в тонком сухом листочке находится, как в корзинке, семечко, превращенное в аэронавта. Иногда растения настолько экономны, что крылышком семечка служит прицветник, поддерживающий соцветие. ю
Такие летающие крылышки имеют различную форму, по которой можно различить растения. У вяза (Ulmus foliaceea) они имеют форму почти круглого бумажного капсюля, внутри которого вместо пороха находится семечко. Граб (Carpinus betulus) посылает "детенышей" на трехпальчатом крылышке, похожем на причудливую ракету с тремя реактивными трубами. Разные виды клена имеют самые странные типы планеров, состоящих из соединенных впритык двух семечек с крылышками. Как будто искусный конструктор создал различные формы крылышек, увеличивая или уменьшая угол между ними. У полевого клена (Acer campestre) крылышки меньше и более прямые и расположены они почти на одной линии; у клена (Acer platanoides) они больше и слегка наклонены, в то время как у татарского клена (Acer tataricum) они короткие и сильно изогнуты, как у реактивных самолетов. Английские, американские и немецкие бионики показали, что профили таких крыльев соответствуют самым строгим законам аэродинамики и что их характеристики тесно связаны с формой, объемом и весом семечка, со степенью плотности массы, которую должен пробить плод, подхваченный ветром, и изменяются от вида к виду. Такие крылья могут мгновенно превращаться в пропеллеры. Две лопасти представляют крылья, а осью служит хвостик семечка. Поддерживаемая тяжестью семечка ось выдерживает направление, в то время как подбрасываемые ветром крылышки вращаются вокруг оси и приводят в движение этот простой, но тонкий механизм на расстояние десятков метров. Механизм, подобный таким крылышкам-пропеллерам, мог бы быть самолетом- вертолетом, в котором крылья в определенных условиях могли бы превращаться в пропеллеры, заменяя двигатель в случае его повреждения. 11
Великий немецкий этнолог Липе считает, что такие естественные "волчки", благодаря своей простоте и эффективности, навели на мысль о создании как крыльев ветряных мельниц, так и пропеллера, когда сила ветра была заменена силой двигателя. Создание пропеллера позволило поднять с земли летательные аппараты тяжелее воздуха. У других растений для длительных полетов семян используются парашютики вместо крылышек. К ним относятся целые семейства растений, такие, как одуванчик, латук, козлобородник, бодяк колючий и другие. Зонтики таких растений вдохновили конструкторов на создание парашютов. Они появились как спасательное средство. Проект парашютов нашли 400 лет назад в папках с рисунками Леонардо да Винчи. Некоторое время назад большой шум наделали летающие тарелки. В будущем космонавтика создаст ракеты-тарелки, которые Жак Ив Кусто, автор известной книги "Мир молчания", приспособил для подводного плавания еще в прошлом десятилетии. Макет таких летающих тарелок имеет вид сухого плода колючего кустарника Средиземноморья, который растет и в Добрудже и называется герань (Paliurus). Плод герани похож на тарелку с приподнятым дном, с широкими и твердыми, как у шляпы, полями. Плоду, отделившемуся от дерева, из-за его округлой формы ветер придает вращательное движение и гонит его с большой скоростью. Несмотря на различие между металлическим крылом самолета и летательным органом птицы, определенные анатомические приспособления для аэронавигации были переняты техникой. При изучении, например, полета сокола и того, как бросается он с высоты на добычу, возникла и потом претворилась в жизнь идея создания пикирующих бомбардировщиков, которые, к несчастью, принесли столько разрушений во время второй мировой войны. Подкрылки самолетов, служащие для того, чтобы не 12
потерять скорость при приземлении, заимствованы у плавников на брюшке рыб, с помощью которых они держатся в воде. И особенно много заимствовано у определенных структур крыльев птиц. Математики с удивлением констатировали, что во время старта, плавного полета или приземления птицы ее перья расходятся как пальцы, образуя очень заметные зазоры, что позволяет значительно повышать подъемную силу (силу, перпендикулярную направлению скорости, возникающую при движении тела в воздухе и обеспечивающую гидростатическую подъемную силу). После 1945 года инженеры-конструкторы умножили усилия в. деле совершенствования крыльев самолета, предусмотрев в них множество зазоров. К всеобщему удивлению такие усовершенствования повысили в 2,5 раза подъемную силу летательного аппарата. Так появился предкрылок на передней кромке крыла, необходимое устройство на крыле современных реактивных самолетов. Передняя кромка крыла удлинена предкрылком, который направляет поток воздуха через зазор. Поток воздуха устраняет нежелательную турбулентность и обеспечивает ламинарный поток воздуха вдоль обратной стороны. У птиц такой результат получается от четырех перьев, которые находятся на изгибе крыла и называются орнитологами remige bastarde. У птиц имеются и другие приспособления, роль которых неизвестна или находится в стадии тщательного изучения в аэродинамических лабораториях. При рассмотрении пера через сильную лупу можно заметить, что оно не гладкое, а имеет идущие в определенном направлении жилки и бороздки. Поток воздуха проходит по этим направляющим бороздкам, расположенным перпендикулярно на внешней и внутренней сторонах крыла. Какова роль такого приспособления? Когда она будет полностью разгадана, тогда у конструкторов появится возможность сделать 13
полезные технические усовершенствования. Инженеры же воздухоплавания питают полное доверие к совершенству живых моделей. Воздухоплавающие и летательные аппараты и их патенты Пауки и первые воздушные шары В 1783 году, когда весь мир отмечал блестящие достижения братьев Жозефа и Этьена Монгольфье, поднявшихся на шаре, наполненном теплым воздухом, и блестяще подтвердивших закон воздухоплавания, никто не думал, что подобные достижения, правда намного в меньших масштабах, были осуществлены незаметными паучками со времени их появления на земле. Тогда никому не пришло в голову обнаружить связь между впечатляющими полетами аэростатов, которые открыли эру полетов аппаратов легче воздуха, и серебристыми ниточками, парящими в воздухе в ясную полуденную осеннюю погоду. Для таких прядей, похожих на нити шелковой материи, румынский народ нашел нежное название и создал вокруг них чудесные легенды. В действительности эти серебряные ниточки не что иное, как оригинальные воздухоплавающие аппаратики различ- ных видов паучков размером с булавочную головку. Ночью пауки спят под листьями. С раннего утра они начинают без устали сновать в окрестностях. Как по команде останавливаются, вытягивают лапки, опускают вниз головку и выпячивают вверх брюшко. Из трубочек брюшка паучки начинают быстро выпускать ниточки. За несколько мгновений паутинки достигают метра длины. Когда насекомое сочтет, что ниточек вытянуто достаточно, и когда они займут строго вертикальное положение, подается команда на взлет. Паучки убирают лапки под брюшко, и сразу же сотни аппаратиков устремляются к небу. Как и первые построенные человеком аппараты, 14
маленькие аппаратики поднимаются вверх подъемной силой восходящего от поверхности земли воздуха. Пауки и первые воздушные шары Если бы во времена братьев Монгольфье в одно и то же время и почти в том же месте поднялось бы столько шаров, то произошла бы страшная воздушная катастрофа. А вот маленькие аппаратики, производящие ниточки, никогда не сталкиваются. Какую тайну они скрывают? Нет ничего проще и изобретательнее! При трении ниточных трубочек все нити заряжаются одним и тем же видом электричества - отрицательным электричеством. Каждый знает, что два тела с одним и тем же электрическим зарядом отталкиваются, следовательно, и аппаратики паучков отдаляются один от другого, если случается, что они слишком сближаются. 15
После полудня, по мере охлаждения воздуха, маленькие аппаратики, опускаясь на землю, случайно могут попасть на наши волосы и одежду. Маленькие воздушные путешественники очень смелые. Пилоты рассказывают, что встречали их на высоте более 2000 м, а великий естествоиспытатель Дарвин обнаружил их на палубе парохода "Бигль", который находился на расстоянии 96 км от побережья. Отмечены случаи, когда воздушные путешественники, подгоняемые сильными потоками воздуха, покрывали за 5-6 часов расстояние свыше 200 км, что, с учетом их размеров и хрупкости аппаратиков, можно признать блестящим достижением. Почему пускаются в такие путешествия маленькие паучки-путешественники? Продолжительное путешествие - это не просто путешествие ради удовольствия. В результате таких путешествий они размножаются в местах, где легче добывать пищу. И даже зарядка нитей путем трения ниточных трубочек одним и тем же видом электричества служит для приспособления. Электрическое отталкивание устраняет опасность скопления большого числа путешественников в одном месте при приземлении. Модели самолетов Недаром говорят, что человека в его высшем стремлении оторваться от земли и покорить небо воодушевляли летающие существа, приспособленные к такому способу существования. Он их внимательно изучал, подражал им, а в последнее время превзошел совершенством техники воздушного полета. В отличие от океана, где удерживаться на поверхности легко, а продвигаться трудно (дельфины, рекордсмены морей, едва проходят 50 км/час), в воздушном океане, держаться труднее, но продвигаться легче; это происходит оттого, что плотность воздуха меньше плотности воды. 16
Птицы, как и другие существа, чтобы подняться и удержаться в воздухе, должны сделать усилия, тогда как сам-полет протекает легко и очень часто скорость достигает более 100 км/ч. Имеются три группы летающих существ: насекомые, птицы и летучие мыши. Все они летают с помощью одинаковых органов - крыльев, но их строение и метод функционирования различны. Все летающие тяжелее воздуха, а держатся они в воздухе благодаря движениям крыльев. У них, как и у рыб, имеются приспособления для облегчения полета. Насекомые пронизаны сетью мелких канальцев, называемых дыхательными трахеями, которые делают их легче, а у птиц имеются воздухоносные кости и воздушные мешки. Несомненно, самыми приспособленными для полета существами являются насекомые. У них имеются две пары крылышек, из которых только одна пара служит для полета (например, у жесткокрылых передние крылья жесткие, они называются надкрыльями и не рассекают воздух). Крылышко насекомого представляет собой мембрану, пронизанную в разных направлениях утолщениями, служащими в качестве нервюр. Поэтому крылышко при рассекании воздуха не ломается. При выполнении полета насекомые расходуют огромную энергию, которая дает возможность осуществлять чрезвычайно быстрые движения крылышками. Такие движения можно уловить лишь специальными киносъемочными аппаратами, способными регистрировать 2000-3500 кадров в секунду. При помощи видеокамер, например, было установлено, что бабочка капустница (Pieris) машет крылышками 5-10 раз в секунду, стрекоза (Aeschna) - 20-30 раз, шмель (Bombus) - 123-233 раза, обыкновенная муха (Musca) - 147-220 раз, пчела (Apis) - 240-260 раз, комар (Chironomus) - 196-494 раза. Откуда же у насекомых столько энергии, если учесть, что взлетают они почти всегда мгновенно? Источником энергии 17
является глюкоза, которую насекомые получают с помощью определенного фермента в результате разложения животного крахмала, гликогена. Такой фермент существует в активной и пассивной форме. Мгновенное преобразование одной формы в другую создает энергию, используемую для взлета. Когда насекомые находятся в покое, в их мышцах накапливается гликоген, а когда они начинают махать крылышками, равновесие между двумя формами ферментов нарушается, в результате чего гликоген мгновенно преобразуется в глюкозу. Анализ фермента, обнаруженного исследователями из Балтиморы (США), показал, что он специфичен для этих существ и что насекомые являются самыми совершенными "летательными аппаратами". О некоторых насекомых можно сказать, что они "экономно" расходуют горючее. Например, пчела, собирающая нектар на расстоянии 3 км от улья, расходует самое большое 0,00035 г сахара, а приносит в улей примерно 0,02 г нектара. Если допустить, что концентрация сахара в нектаре 20%, то это количество равно 0,004 г чистого сахара. Следовательно, если пчела летает на расстояние 3 км, то полет ее рентабелен, так как расход горючего в форме сахара не превышает 9% от груза. Движение крылышка насекомого является сложным и трудно поддается изучению. Крылышко рассекает воздух сверху вниз, но в то же время оно движется вперед-назад, выполняет гребные движения таким образом, что вверх крылышко идет не развернутым, а боком. Работая крылышками в разных направлениях по отношению к корпусу тела, насекомые могут регулировать полет таким образом, чтобы крылышки служили им при взлете или в полете. Изменения положения крылышек насекомых во время полета подсказали авиаконструкторам создание самолетов "с изменяемой геометрией крыла", что явилось новым достижением авиационной техники. 18
При внимательном наблюдении за строением двукрылых насекомых (мухи, комары, пчелы, шмели и другие) можно заметить два тонких крылышка, которые расположены позади самих крыльев и связаны с корпусом тела насекомого тонкой ножкой. Речь идет о вибраторах, которые постоянно работают во время полета. Наружный кончик каждого крылышка движется по дугообразной траектории. Тенденция к такому движению сохраняется и тогда, когда изменяется направление полета. В это время ножка растягивается и мозг насекомого побуждает изменить направление и управляет действием мышц, направляющих движение крылышек. Принцип действия такого устройства был использован конструкторами при создании нового типа гироскопа - чувствительного и незаменимого устройства, являющегося частью системы управления кораблей, самолетов и ракет. По модели "естественных" вибраторов были созданы совершенны высокочувствительные гироскопические устройства. Подобным устройством является и указатель виражей сверхзвуковых самолетов. Полет насекомых, особенно стрекоз, сопровождается вредными вибрациями, похожими на так называемые явления "флаттера", которого особенно боятся авиаконструкторы. У высокоскоростных самолетов такие вибрации могут достигать опасной интенсивности, вызывая трещины и Даже поломки крыльев. На протяжении многих лет специалисты безрезультатно искали средства для устранения такого дефекта, жертвами которого стали сотни летчиков-испытателей. Внимательное изучение строения крылышек стрекозы подсказало выбор наилучшего решения. На протяжении веков природа постоянно совершенствовала устройство для устранения опасных вибраций. Каждое крылышко стрекозы имеет маленькое хитинное утолщение темного цвета на переднем крае конца крылышка, называемое "птеростигмой". Механическая роль 19
такого устройства в регулировании вибраций крыла была проверена экспериментально. Если бы значение птеростигмы было обнаружено раньше, то можно было бы избежать многих неудач. В настоящее время крылья любого сверхзвукового самолета оснащены на конце переднего края, как у стрекозы, своего рода птеростигмой, устройством в форме спаянных свинцовых пластинок, которые окончательно устраняют нежелательные вибрации. Хотя вдохновением для человека послужили законы природы, осуществил он воздухоплавание по-другому: летательные аппараты не машут крыльями, а летят либо с помощью пропеллера, который врезается в воздух, либо благодаря силе выброса газов или воздуха из реактивного двигателя. Предварительный итог и перспективы на будущее За тридцать лет "бурной" эволюции бионика оказалась практически полезной в деле создания сотен новых механизмов и в значительном улучшении параметров классических механизмов или приборов. Некоторые достижения человека выше достижений природы, другие - ниже или даже далеки от любого сравнения. Человек летает намного быстрее, чем птицы. При погружении же в воду достижения человека ниже возможностей дельфинов. Хотя наши морские эхолокаторы (акустические) и удовлетворительны, но их превосходит ультразвуковой сонар дельфинов или локаторы электрических рыб на электромагнитных волнах. Хотя человек и располагает блестящими радарами дальнего действия, который природа не создала (вероятно, потому, что они не нужны), радар летучих мышей для коротких расстояний еще не превзойден. 20
Вклад бионики в улучшение механизмов и техники бесспорен. Можно было бы сослаться хотя бы на замечательные успехи в области строительства, о чем будет широко сказано в этой работе, или применение в технике принципа модулирования импульсов, используемых нервной системой животных для передачи информации без помех от окружающей среды. Заметные успехи были достигнуты и в области создания электронного мозга. От громоздких, созданных 25-30 лет назад машин, которые занимали огромные помещения, перешли к моделям машин, которые могут поместиться в одном шкафу. Природа, хотя и расточительна в своих поисках, использует принцип экономии, когда речь идет о совершенствовании живого огранизма с целью повышения выживаемости. В таком же направлении действовала и бионика. Усилия по миниатюризации, которые можно выразить девизом, пригодным для обеих систем: "получение наибольшей сложности и функциональности в пространстве наименьшего объема", выраженные природой в нейрокибернетических микросистемах и техникой в микропроцессорах, представляют одну из перспектив будущего как в области творений природы, так и промышленности. Бионика и ее маленькая семья Видимо, не зная об идеях румынского врача Штефана Одоблежи, изложенных им в мало известной работе "Консонантистская психология" (2 тома), которая была издана тиражом 300 экземпляров неизвестным книгоиздателем Малуана в Париже в 1938 году, американский ученый Норберт Винер заложил основы кибернетики в работе "Кибернетика или управление и связь в живом организме и машине", которая появилась также в Париже 10 лет спустя. Кибернетика мгновенно прижилась, 21
ибо она отвечала требованиям обновления современной технологии. Норберт Винер определил ее как науку управления и передачи информации в механизмах, организмах и в обществе. "Математический аппарат новой науки отмечают Н. Н. Михаил и М.А. Русу в работе "Что такое биокибернетика?" 1 - относится к теории вероятностей, теории функций, математической логике. Краеугольным камнем кибернетики является наука информации, теория алгоритмов и теория автоматов. Последняя изучает возможности построения автоматизированных систем для обработки информации". Значительную роль в развитии бионики играла идентичность передачи и обработки информации в двух крупных системах: в живых организмах и в автоматических машинах. В обеих системах передача и обработка информации аналогичны и подчиняются одним и тем же законам. Эту идею Винер разработал вместе с физиологом В. А. Розенблюэтом. По Винеру, информация- это дискретная, но непрерывная последовательность измеряемых, разделенных по времени событий. Информация имеет материальный носитель и семантику (значение). Чтобы циркулировать, она должна быть интегрирована в систему. "Энциклопедия кибернетики", появившаяся в 1975 году в Киеве, дает более полное определение кибернетики: "Кибернетика - это наука об общих законах получения, хранения, передачи и обработки информации в комплексных системах управления. Под системой управления подразумеваются не только технические системы, но и любые биологические, административные и социальные системы". А. И. Берг уточняет, что кибернетика изучает процессы, происходящие в комплексных динамических системах, а 1 * (N. N. Mihail si М. A. Rusu, Се este biocibemctica.) 22
также управляет ими всегда в направлении точной цели. Она изучает и возможность улучшения, следовательно, оптимизации системы или механизма. Кибернетика включает три основные части: теоретическую, техническую и прикладную. Теоретическая, или абстрактная кибернетика занимается исследованием философских проблем кибернетики, а также математическими и логическими проблемами управления и контроля. Техническая кибернетика изучает конкретные технические средства, которые составляют системы или устройства управления или контроля от элементарных автоматических средств до электронных машин, используемых в управлении и контроле. Прикладная кибернетика использует теоретическую фундаментальную кибернетику и ее технические средства в решении задач управления и контроля в различных областях человеческой деятельности. Из кибернетики выделился ряд отраслей для изучения живой материи, организмов и биологических систем. Биокибернетика. Немецкий ученый Г. Миттелыптедт определяет биокибернетику как науку, призванную изучать живую материю с помощью понятий, методов и аппаратов кибернетики. Н. М. Амосов, В. Р. Эшби, Е. П. Одум и Н. Ботнарюк дополняют, что одной из ее основных задач является кибернетическое обоснование системной теории эволюции. Нейрокибернетика. По Эд. Николау, нейрокибернетика преследует цель совершенствовать и применять на практике модель нейрона, самую высокую форму организации живой материи, самый сложный элемент биокибернетической системы каковой, является нервная система. Эта модель была предложена Шанноном в 1948 году. Биоинженерия. Это более широкое и туманное понятие 10-15 лет тому назад уточнено Коринной Джекер. По ее мнению, биоинженерия имеет своим объектом изучение переноса инженерных методов в некоторые области 23
биологии и медицины. Следовательно, речь идет о генной инженерии, которая исходит из вторжения в гены - носители генетической информации, преследующей цель изменения наследственных черт и даже создание новых видов, а также об анатомической инженерии, целью которой является изобретение и изготовление ряда искусственных и пересаживаемых органов (сердце, почки, легкие, печень), действующих на биокибернетических и интегрированных в природную систему принципах. Бионика. Бионика в отличие от биоинженерии имеет целью, как считает советский ученый А. А. Ляпунов, перенос в технику некоторых животных и растительных моделей, следовательно, изучение структур и конструкций физических систем через аналогию со структурами и конструкциями природных систем. Проблемы бионики более сложны, чем кажется на первый взгляд. Отталкиваясь сначала от изучения человеческого мозга, от "загадочной" системы ориентирования летучих мышей, птиц, рыб и дельфинов, от совершенства ряда анатомических органов, от удивительных структур растений, бионика пришла к выводу, что природа представ- ляет собой неисчерпаемый источник идей по улучшению техники и даже перевороту в ней и что технологическое изучение организмов, способностей живых существ подсказывать промышленные модели имеет огромные перспективы. Однако между техникой и природой нельзя провести абсолютную параллель, как и нельзя установить совершенные аналогии между организмами, созданными природой, и механизмами, изготовленными человеком. "Это побудило некоторых ученых отрицать автономность бионики, - пишет в работе "Бионика" (1970 г.) советский исследователь Игорь Губерман. - Они утверждают, что природа создала свои живые машины и аппараты с помощью особых материалов и путями, чуждыми 24
человеческому мышлению. Следовательно, существует якобы только биология, которая приобретает новое качество благодаря вмешательству инженеров и математиков. Что же касается патентов, заимствованных от живых механизмов, то они могли быть переняты только после определенных подобных открытий, сделанных техникой совершенно независимо от биологии". Губерман приводит несколько веских примеров. Секрет радара летучих мышей, например, был распознан только тогда, когда был открыт и использован ультразвук. Инженер Крамер сначала сделал заявку на изобретение корпуса корабля с низким сопротивлением при плавании и только после этого заметил, что кожа дельфина действует поэтому же принципу. Тысячи самолетов с неподвижными крыльями рассекают воздух, в то время как тайна махательного полета остается неизвестной. Математики научили машину различать буквы и чертежи, но до сих пор мы не знаем, как выполняет такую работу мозг. Это замечание остается действительным для всей истории человечества. С самых незапамятных времен человек внимательно следил за природой и имитировал ее эмпирически задолго до открытия ряда основных принципов. Наблюдая за полетом птицы, человек изготовил для себя крылья подобно Икару или мастеру Маноле. Убедившись в том, что дерево может плавать по воде, человек изготовил первое плавательное средство путем выдалбливания бревна или импровизации примитивного плота. Открытие Архимедом законов гидростатики улучшило качество и эффективность водных транспортных средств, стимулировало кораблестроение, получившее огромное развитие в древности, а также в средние века. Проблема полета оставалась нерешенной в течение ряда веков, потому что законы аэродинамики были разработаны только в XIX веке, а изучение сравнительной анатомии лишь во второй половине XVIII века показало несовместимость между анатомией человека и птицы; это 25
приблизило проблему воздухоплавания (также в свете законов Архимеда) к изготовлению летательных аппаратов легче воздуха. Этот приоритет технического открытия перед биологическим открытием в создании человеком огромного числа механизмов, особенно в последние два столетия, а также и кажущийся факт, что биология больше приобрела в результате технического прогресса, чем техника благодаря прогрессу в области биологии, ничуть не отрицает оправданность зарождения и становления бионики как самостоятельной дисциплины. Бионика является одной из синтезированных наук. Она зиждется на взаимозависимости и творческом сотрудничестве двух, долгое время ошибочно считавшихся противоположными дисциплин: кибернетической инженерии, с одной стороны, биологии со всеми ее современными отраслями, с другой. Биология очень много выигрывает от контакта с математикой и физикой, а, в свою очередь, кибернетика извлекает огромную пользу от изучения ряда биологических моделей большой тон ости, сложности и эффективности, которые могли быть использованы только благодаря прогрессу информационной техники. Было бы наивно верить, чтобы бионика занялась созданием механизмов, точно имитирующих природу. Нет ничего более ошибочного. Материалы, требования, предназначение существенно различаются. Однако общие принципы, идеи, возникающие во время исследования живых структур, благодаря тесному сотрудничеству между биологом, математиком и инженером будут чрезвычайно полезны, даже если технические приспособления, создание которых подскажут биологические модели, будут столь же мало похожи на прототипы, как мало похожи современные приборы, сигнализирующие о приближении бури, на желатинную массу медуз. Почти полвека назад чешский писатель Карел Чапек, один из предвосхитителей бионики, красочно описал со 26
свойственным ему юмором такой тип сотрудничества менаду человеком и природой в известной своей книге "Фабрика абсолюта": "Самолет столь же мало похож на птицу, как мало похожа торпеда на форель... Конечно, человек пожелал летать наподобие птиц, но, чтобы этого добиться, ему надо было сделать совсем другое: изготовить пропеллер... Человек сумел приблизиться к природе, только регулярно решая проблему другим образом... Задумав быстрее перемещаться по поверхности земли, он не стремился обзавестись четырьмя ногами, как это подсказывает пример оленя или лошади, он изобрел колесо... Канатчик, вьющий анат, движется назад, а паук, вьющий паутину, движется в обратном направлении. Вся техническая фантазия человека в отношении природы состоит в том, что он начинает с противоположного конца: я бы даже сказал с диаметрально противоположного конца". В настоящее время наука достигла такого уровня, который позволяет ей приоткрыть покров многих тайн живых существ и найти идеи, предложения, модели, которые могут быть плодотворно и оригинальным способом перенесены в технику. Однако это не означает ни раболепную имитацию природы, ни отсутствие интереса к органическим структурам, совершенствовавшимся на протяжении длительных геологических эпох. "Из двух экстремальных мнений то, что мы узнаем, является не истиной, а новой проблемой, проблемой, решение которой различно в каждом отдельном случае", - говорил Карел Чапек. Деятельность человека, достигшую ныне высокого уровня совершенства, можно поставить рядом с действием природы: такое право завоевано огромным напряжением гения человека. Эволюция имела в своем распоряжении миллионы лет, человек - всего лишь несколько столетий. Эра бионики только начинается. Она не принимает боевой клич: "завоюем и овладеем природой", а провозглашает благородное стремление лучше познать и превзойти 27
природу в том, что она создала лучшего, продуктивного, красивого, прочного. Живая "галера" и "галера" Колумба В теплых морях обитают миллионы сифонофор, мелких морских живых существ изумрудного или голубовато- лазурного цвета, являющихся излюбленной пищей для китообразных животных. Главными видами сифонофор являются плотоядные Velella и Phisalia. Velella голубовато-золотистого или зеленоватого цвета похожа на мясистую подушечку, которая располагается вокруг воздушной подушечки, имеющей в нижней части короткие щупальца, которые крепко хватают находящихся поблизости рыб. Physalia такого же цвета, называемая популярно "галера" по аналогии с "галерами" - кораблями древности и средневековья, состоит также из пузыря, окруженного щупальцами, из которых выделяется одно очень длинное (примерно 20 м), служащее как рулем, так и приманкой, потому что имеет ударные крючки, связанные с источниками яда, который опасен и для человека. Как Velella, так и Physalia имеют множество органов для обеспечения их безопасности. Самым причудливым является высокая и тонкая вуаль из хитина, которая служит защитой плавающего пузыря. Вуаль имеет форму сильно удлиненной латинской буквы S, что позволяет им плыть против ветра, a Velella может даже изменять направление движения при встречном ветре. Их блуждание с развернутыми "парусами" проходит в открытом море, они никогда не попадают на мелководье. Несмотря на то, что скапливаются во время бурь на небольших площадях, они не голодают, потому что разбрасываются волнами в различных направлениях по конфигурации волн или направо или налево, а затем снова сближаются. 28
Как Velella, похожая на плот с парусами, так и Physalia, напоминающая лодку с бесконечным рулем, явились в 1969 году объектом изучения советского ученого Ставилова во время океанографической научно-исследовательской экспедиции на судне "Витязь". В настоящее время ученые различных стран интересуются системой плавания с парусами сифонофор. И морские растения научили нас плавать Увеличение объема тел, которые тяжелее воды, с целью держаться на воде можно достигнуть не только плаванием, т. е. динамическим путем, но и путем пассивного увеличения объема с помощью пространных и легких поверхностей. Когда человек начал перевозить груз вниз по течению, пользуясь течением реки или вверх против течения или по стоячей воде (озеро, болото, пруд и т. д.), он стал использовать выдолбленное бревно, плот, лодку с шестом, лодку с веслами, лодку с парусами. Если человек не умел плавать, а должен был проплыть по воде большое расстояние без плота или лодки, то он пользовался надутым воздухом свиным пузырем или сухими тыквами, связанными попарно, а позднее спасательными кругами, надувными "рубашками", матрацами и т. д. Все эти изобретенные человеком средства блестяще применялись до этого для плавания десятки тысяч лет морскими растениями. Плавающие или неподвижные растения удерживаются на поверхности воды из-за большой поверхности их листьев. Тарелки лотоса Амазонки (Victoria amazonica) достигают 1 м в диаметре и могут удерживать ребенка 8-9 лет или 50-60 кг песка, разбросанного на их поверхности. Хотя намного меньше листья белой лилии (Nymphaeaalba) или желтой (Nuphar luteum), водяного лютика (Hydrocharis morsus 29
ranae), кувшинки (Nymphoides peltata), травы Salvinia natans, все они имеют такую же форму приспособления. Даже у самой маленькой ряски (Lemna) овальный плотик достаточен для удержания слабого корня. Увеличенные плавающие поверхности встречаются и у некоторых морских водорослей. У ulvacee, например, таллус имеет форму ленты зеленого цвета. У микроскопических морских водорослей увеличение поверхности достигается изменением формы тела, которое становится округлым, в форме латинской буквы S или шурупа (cianoficee, diatomee) или как закрученная пластинка (desmidiacee). Но более интересным является плавание путем уменьшения тяжести тела. У высших растений основным средством является уменьшение до максимума ее механической ткани. Морские растения имеют множество воздушных пузырьков и межклеточных пустот, которые у некоторых видов, как Vallisncria, Hydrilla, Myriophyllum, достигают 70% их объема, что способствует уменьшению плотности растения. В арсенале этих растений имеются также воздушные мешки. Декоративный водяной гиацинт (Eicchomia), настоящее бедствие тропических рек и даже бассейнов в парках, имеет под пластинкой толстого листа наполненное воздухом вздутие размером с грецкий орех. Морские водоросли, особенно бурые, оснащены поплавками различной формы и размеров. Известное Саргассово море переполнено водорослями Sargassum, которые, всплыв из глубины, плавают почти у поверхности воды с помощью воздушных кистей, словно коричневые шары, удерживаясь хвостиками за таллус. Особое внимание следует обратить на ассоциацию растений, какой является морской фитопланктон, состоящий из мелких существ, которые живут в морской воде. Они представляют собой почти компактную массу, 30
живут обширными, располагающимися слоями колониями в зависимости от большей или меньшей потребности в свете. Эта впечатляющая растительная масса блестяще приспособлена для плавания, ее опусканию на дно препятствуют различные средства. Большинство морских водорослей имеют форму диска. Чтобы удержаться на поверхности, они держатся только на плоской стороне и никогда - на ребре. Чрезвычайно быстрое деление уменьшает их вес и увеличивает плавательную поверхность. Многие виды планктона имеют различные отростки, движением которых вытесняется больший объем воды. Скопление их колониями, организм к организму, значительно увеличивает занимаемую ими площадь, препятствуя их погружению. Для облегчения тела многие из этих мелких существ имеют внутри или снаружи желатинообразные или маслянистые вещества в форме пленок, как у diatomee или heterocante. Длительное пребывание под водой Человек опускается в воду не только из-за удовольствия фотографировать или делать киносъемки в глубинах морей и океанов, но и для работы. К таким работам относится работа водолазов на глубине для установки опор мостов через реку, для поднятия судов с ценными грузами или судов, блокирующих входы в порты. Одетые в специальные костюмы, они часами работают под водой под защитой кессонов - погруженных в воду колоколов. Вспомним о подводных "лабораториях", в которых исследователи- океанографы проводят целые дни и недели, о смелых проектах подводных городов, способных искусственно создать среду обитания, как на поверхности земли. Кажется невероятным, что маленькое существо размером с ноготь мизинца напоминает о современных средствах водолазов; это маленькое существо может находиться 31
целые часы под водой и даже проводить там зимнюю спячку. Этот маленький водолаз не что иное, как водяной паук темного цвета, названный Argyroneta. У него на голове восемь очень маленьких глаз, а тельце одето в бархат из очень тонких и густых ворсинок. Паук, хотя и живет в озерах и болотах, не дышит жабрами, как рыба, а забирает кислород из атмосферы. Для паука не совсем удобно часто выходить из засады, так как это привлекло бы внимание добычи. Чтобы сидеть долгое время на одном месте, надо забирать воздух в воду, прикинул наук, как дурачок - герой из сказки Крянги, задумавший перенести решетом солнце домой. Только наш паук, хитрец от природы, нашел средство доказать свое умение. Пауки - прекрасные ткачи. В отличие от родичей, которые сети превращают в капканы, водяной паук использует свои паутинки для изготовления мешочка для забора воздуха. Паук не плетет паутину на суше. Ее трудно опускать в воду, да и намокшая паутина легко разрушается волнами. Проще и легче сделать ее под водой. Паук захватывает несколько стеблей водяных растений и плетет небольшой колокол шляпкой кверху, придавая ему форму и размеры наперстка, из тонких паутинок, прочных и так хорошо переплетенных, что вода не может проникнуть через них. Завершив такое сооружение, паук выходит на поверхность. Устроившись животиком кверху, он скрещивает последнюю пару ножек, захватывая между ними и ворсинками на конце животика воздушный пузырек. Его железы выделяют с большой скоростью тонкую пленку, которой он обвалакивает воздушный пузырек и несколькими паутинками привязывает его к тельцу. Затем наук направляется к Домику, неся с собой это серебристое зернышко. Отсюда и пошло его научное название (argbiros = серебро). Ловким движением ножек паук отделяет 32
пузырек у входа в колокол. Таким образом он делает десятки рейсов до тех пор, пока вытесненная воздухом вода из колокола дойдет до уровня отверстия. Непромокаемый, наполненный воздухом и облегченный колокол может легко отделиться и выскочить на поверхность воды. Чтобы устранить такое неудобство, паук прикрепляет его к находящейся поблизости траве многочисленными паутинками, подобно тому как аэростаты крепятся мощными тросами, чтобы не улетели. Имея под рукой домик и воздух, паук садится в засаду животиком к домику, так как его органы дыхания находятся на его концах и наполовину его тело выступает наружу, чтобы схватывать находящуюся вблизи добычу. Через некоторое время, когда воздух в колоколе испортится, паук разрывает баллончик. Пузырьки испорченного воздуха, булькая, выходят на поверхность воды через маленький, сделанный пауком разрез. Паук терпеливо чинит колокол и снова наполняет его чистым воздухом. Матка наука строит для детенышей специальный очень прочный колокол, конец которого выходит наружу из воды. Он делится на две части: в верхней она откладывает яйца, а в нижней живет сама, охраняя потомство. Через пять дней после появления паучки могут уже сами строить домики. Зимой паук полностью закрывает колокол и проводит зимнюю спячку в этом маленьком "Наутилусе". Вернемся теперь к усовершенствованным техникой формам прототипа подводного кессона, изобретенного маленьким существом, дышащим воздухом. Человечество прошло длительный путь, пока научилось строить сложные подводные лаборатории, иногда на глубине в несколько сот метров, где группы океанологов выполняют исследовательские программы. Такие подводные станции оснащены мобильными аппаратами по 33
изучению морских бездн. Особая заслуга в совершенствовании таких аппаратов и техники подводных съемок принадлежит Жаку Ив Кусто, экипаж которого на корабле "Калипсо" раскрыл многие тайны жизни подводных существ, использовав так называемые "подводные тарелки", реактивные самоходные аппараты. Они имеют круглую форму диаметром 3 м, высотой 3,5 м, с двумя иллюминаторами округлой формы и другими маленькими "глазками", позволяющими экипажу вести наблюдение во всех направлениях и под различными углами. В каждой "тарелке" размещаются два человека, оснащенные фото- и киноаппаратами, магнитофонами и механической рукой для взятия биологических проб. Наряду с "тарелками" используют и отдельных водолазов, перемещение которых обеспечивается реактивными механизмами. Так, водолазы в скафандрах для движения в течение 1-2 часов оснащены легко управляемыми ранцевыми реактивными двигателями вроде газовых эжекторов. Казалось бы, что такие эжекторы являются монополией техники. В действительности уже сотни тысяч лет некоторые морские существа умело и элегантно используют принцип реактивного движения. Одним из известных таких морских животных является кальмар (Loligo vulgaris), родственник сепии и каракатицы. Он плавает медленно, производя извивающиеся движения некоторых частей тела. При появлении опасности кальмар мгновенно исчезает со скоростью, которая не доступна при извивании и загребании. Для этого животное использует особое средство передвижения: силу резко выбрасываемой из тела животного воды. Очень простой "мотор" состоит из двух частей - оболочки и сифона, находящегося в задней части. Когда ему надо быстро скрыться, кальмар (как и сепия) быстро наполняет внутренность оболочки водой, а затем с силой выпускает ее через трубку сифона. Тонкая и сильная струя воды помогает животному делать скачок назад. Такой вид плавания - система ракеты (подобно 34
полету реактивного самолета) встречается у устриц, называемых гребешками (Pecten) по причине видимых радиальных ребер и двух развитых боковых ушек, которые делают их похожими на гребень шпильку. Эти устрицы очень ловкие: они умеют плавать и прыгать, резко и с силой выбрасывать воду путем открывания и закрывания створок раковины. Водолазы рассказывают, что при приближении человека скопления подобных устриц "взлетают" со дна и мгновенно исчезают. Погружение и бионика Рыба является совершенной моделью приспособления к жизни в воде. Ее гидродинамическая форма представляет идеальный профиль, который оказывает минимальное сопротивление при плавании с минимальным расходом энергии, а различные плавники помогают движению тела, и облегчают выбор его направления. Так, большинство рыб имеют воздушные пузыри вроде гидростатического аппарата, который позволяет рыбе всплывать на поверхность или погружаться вглубь. Связь между пузырем и передней частью кишечника дает рыбам возможность выравнивать разницу в давлении на различных глубинах жидкой среды, в которой они живут. При всплытии на поверхность рыба выпускает часть воздуха из пузыря в кишечник и таким образом происходит выравнивание давления. А когда рыба опускается в глубину, где давление намного больше, кровь освобождает воздух в пузырь посредством специальных "газовых гланд" или через всю стенку пузыря, осуществляя таким образом компенсацию давления, следовательно, уравновешивание давления снаружи с внутренним давлением рыбы. Чтобы течение воды не могло унести рыб, последние имеют органы, состоящие из сенсорных сосочков вдоль боковой линии и скрытых в коротких трубочках или канальцах, наполненных слизью. Даже самые слабые течения воды 35
свертывают желатинообразные цилиндрики, которые возбуждают сенсорные клетки, заставляя рыб рефлексивно обходить эти глубинные течения, которые иногда образуются спонтанно. Наконец, некоторые рыбы, как сомы или карпы, оснащены так называемым аппаратом Вебера, который состоит из ряда косточек, связанных с одной стороны с передней частью пузыря, а с другой стороны - с внутренним ухом, органом, который и у человека играет большую роль в поддержании равновесия. Поскольку орган Вебера связан с пузырем, он сигнализирует ему об изменениях давления, а пузырь, в свою очередь, сообщает внутреннему уху, которое регулирует через передаваемые в мозг импульсы нормальное положение рыбы в условиях измененного давления. Погружение и бионика 36
Проектировщики и конструкторы современных подобных лодок имитировали идеальную гидродинамическую форму рыб и нашли технический эквивалент некоторых приспособительных особенностей морских существ. Так, плавающий пузырь рыб соответствует балластным цистернам, которые с помощью насосов освобождаются от воды и наполняются воздухом, когда подводная лодка выходит на поверхность или, наоборот, постепенно заполняются водой по мере погружения. Только у рыб пузырь имеет две функции: перемещение по вертикали и уравнение органического давления с морским, в то время как у подводной лодки балластные цистерны служат лишь для погружения и всплытия. Стабилизация глубины осуществляется с помощью батиметров, измерительных аппаратов, которые автоматически останавливают работу насосов, когда лодка достигает нужной глубины. Но в техническом плане не решена проблема автоматической синхронизации внутреннего давления подводной лодки и наружного давления. Толщина и прочность сплава, из которого сделан каркас подводной лодки или батискафа, является единственной защитой от огромного давления на глубине морей и океанов. Возможно, "бионики передадут решение этой проблемы, связанной пока с практикой и теорией сопротивления материалов, другим разделам современной техники. В батискафе вещества легче воды (обычно очень легкий бензин) находятся в корпусе-поплавке, имеющем вид подводного шара, с которым связана герметичная кабина. Из-за большой сжимаемости бензина морская вода проникает под давлением и большой массой по мере увеличения давления и снижения температуры. В результате этого поплавок тяжелеет, а батискаф погружается. Чтобы всплыть на поверхность, сбрасывается через воронку с помощью электромагнитов часть балласта, который состоит из железных опилок. 37
Водоросли с клетками более 1 см в диаметре, как Valonia macrophyra или Halicystis osterhonti могут иметь клеточный сок легче, чем вода (1,0250 по сравнению с 1,0277) из-за того, что берут из окружающей среды натрий с атомным весом 23 вместо калия, атомный вес которого 39. Параллельно и независимо от рыб водяные цветковые растения должны разрешать трудную гидротехническую проблему, а именно: перемещение в вертикальном направлении всего организма или части его в определенные периоды жизни. Так, опыление у них осуществляется только на поверхности воды, а плод какое-то время должен находиться на дне болота. Погружение и поднятие на поверхность осуществляется живыми существами с помощью специальных органов или членов. У растений таких органов нет. Они должны это делать подобно созданному человеком механизму, как подводная лодка, с использованием своей живой энергии и реакции. Погружение подводной лодки осуществляется наполнением балластных резервуаров водой, а всплытие - удалением воды из этих резервуаров с помощью насосов. Чтобы рассмотреть принцип действия подводной лодки применительно к растению, можно рассмотреть болотную марену (Utricularia vulgaris)-ManeHbKoe плотоядное растеньице, оснащенное сеткой с капканами. Капканы в форме верш для ловли рыб размером не более 4-5 мм являются трансформированными частями листьев. Мешочки имеют на конце маленькое отверстие, обрамленное волосками и прикрытое изнутри колпачком, который действует как клапан. Такие капканы служат не только Для захвата добычи, но и выполняют роль балластных резервуаров, как у подводной лодки. Когда у растения заканчивается плодоношение, капканы перестают играть свою роль. Колпачки затвердевают, а чувствительные стенки теряют способность сжиматься, вода таким образом свободно проникает внутрь мешочков. 38
Отяжелевшее растение погружается в воду. "Перископ" цветочного стебля, который обычно возвышается над водой, мгновенно исчезает, втягивая за собой маленькие комочки с семенами, которые будут зимовать на дне болота. Не менее интересной "подводной лодкой" или скорее растительным "батискафом" является водяной каштан, называемый и водяным чертополохом (Trapa natans). Оба названия, кажущиеся противоположными, вполне оправданы для определенного этапа эволюции плода. Вначале покрытый довольно толстой зеленой оболочкой плод кажется похожим на каштан. Оболочка служит ему спасательным кругом, облегчает развитие зеленого зернышка, пока оно связано с растением. Когда плод созрел, связующая нить разрывается, а зеленая оболочка, разложившаяся в воде, отделяется, обнажая одеревеневшую его часть, черную, как эбеновое дерево, с четырьмя острыми колючками и с маленькой крышечкой. Отяжелевший от компактной и питательной сердцевины плод опускается на дно болота, где прочно закрепляется колючками и оберегается таким образом от захвата рыбами. Этот своего рода батискаф зимует на глубине. Весной маленький корешок отталкивает крышечку и закрепляется в иле. Когда растение израсходует все запасы питательных веществ, батисфера облегчается и начинает подниматься вверх, освобождая листья от эбенового затворничества через отверстие крышечки. Освободившись от "балласта", одеревеневший батискаф выходит на поверхность воды, а иногда, уносимый течениями, выбрасывается на берег. Очень хорошо известно, что вода оказывает сильное сопротивление при движении в ней. Поэтому плавание - это утомительный спорт (хорошо натренированный спортсмен может проплывать самое большее 4-5 км/час), самые быстрые трансатлантические пароходы двигаются со скоростью 30-40 км/час, а совершенные боевые корабли достигают умеренной скорости автомобиля. Если сравнить 39
огромную расходуемую как подводными лодками, так и выпущенными торпедами энергию, то они развивают сравнительно небольшую скорость, равную или немного большую скорости акул и особенно дельфинов, которые достигают ее несравненно меньшими усилиями. На протяжении ряда лет специалисты по гидродинамике искали причину такого низкого "коэффициента полезного действия" подводных лодок и выпущенных торпед. Объяснение такого явления нашли лишь после изучения движений дельфинов, с виду тяжеловесных крупных морских млекопитающих. Неожиданно было установлено, что во время движения вокруг животного образуются тонкие дорожки, которое не превращаются в водовороты, как у подводных лодок. Между тем, чтобы преодолеть сопротивление, создаваемое водоворотами, подводная лодка расходует почти 9/10 энергии двигателей. Подробные исследования в подводном "туннеле", в специально оборудованных бассейнах и в лабораториях, оснащенных микроскопами большой точности, позволили найти секрет движения дельфинов без образования водоворотов. Установлено, что кожа у дельфина двухслойная: наружная, тонкая (1,5 мм), очень эластичная и вторая, внутренняя, более толстая (4 мм) и менее эластичная. Внутренняя сторона наружного покрова пронизана трубочками и канальцами, наполненными мягким губчатым веществом, которое обеспечивает высокую эластичность. Следовательно, наружная пленка действует как диафрагма, чувствительная к изменению давления: она препятствует образованию водоворотов позади дельфина, передавая давление канальцам с амортизирующими веществами. По такому образцу немецкий инженер Крамер сделал двойной каучуковый лист, названный "ламинфло" с внутренними канальцами, наполненными амортизирующей жидкостью. Таким листом была обшита торпеда. Результат 40
был поразительным. Турбулентность воды позади торпеды уменьшилась примерно на 60%, а скорость увеличилась на 25%. В ближайшем будущем такое усовершенствование, которое человек позаимствовал у дельфина, найдет все большее применение в мореплавании. Можно при меньших затратах энергии достигать более высоких скоростей моторных лодок, транспортных судов, трансатлантических кораблей, подводных лодок. Малые скорости ныне ставят их в неблагоприятное положение по сравнению с воздушным сообщением. Не исключено, что спортсмены, одетые в амортизирующий костюм, смогут побить все рекорды по плаванию. Может быть, также не будет фантастикой, что самолеты тоже "позаимствуют" кожу от дельфинов и легче будут преодолевать воздушные вихри вокруг них; ведь они приносят ныне много забот конструкторам современных воздушных кораблей. Архитектура и наука о строительстве заимствуют у природы удачные решения Пчелы и секрет шестиугольных домиков Хорошо известно, что домиком для пчел являются соты, представляющие собой маленький восковой замок, который состоит из сотен ячеек правильной формы. Зоологи и пчеловоды внимательно изучили процесс построения таких коллективных домиков, продовольственных складов и в то же время ясель. Известно, например, что пчелы сами делают строительный материал. Под колечками животика пчелы находятся маленькие пластиночки из воска, выделяемого специальными гландами. Это приклеенное к животику вещество отличается от вещества, из которого строятся ячейки сот. Оно более хрупкое и более темного цвета. Насекомое ножками отделяет пластиночки, растирает их челюстями и смачивает слюной. Таким образом воск становится светлее и более мягким. 41
Пчелы и секрет шестиугольных домиков Известны операции по строительству сот, в которых участвуют десятки рабочих пчел. Сначала строится опорная стенка сот и их каркас, причем пчелы откладывают воск по очереди. Только после склеивания столбиков стен они начинают моделировать соты: делают это коллективно, в качестве инструментов используют нижнюю губу, челюсти и ножки. Вначале круглые внутренние стенки ячеек выскабливают под углами 60°, а их дно полукруглой формы принимает пирамидальную форму. После заполнения сот медом, пчелы закрывают их прозрачной восковой пленкой, как говорят пчеловоды, запечатывают их. 42
Долгое время оставалось загадкой, почему пчелы предпочитают домики шестигранной формы или, вернее, в форме шестигранной призмы. Это было замечено еще в древности. Аристотель отмечал это в "Истории животного мира", а позднее и Плиний Старший. С математической точки зрения эту проблему затрагивал математик Папп Александрийский в работе "Математическое собрание". Трехромбовидная форма дна ячеек была раскрыта в 1712 году астрономом Маральди, который измерил и углы ромбиков: самый большой 109°28?, самый меньший 70°32?. Физик Реомюр, предполагая, что пчелы экономно расходуют воск, предложил математику Кенигу решить следующую задачу: "Из всех шестигранных ячеек с дном из трех разных ромбиков определить ту, которую можно построить с наименьшим количеством материала". Кениг решил задачу с помощью дифференциального расчета и нашел, что это достигается при большем угле 109°26? и малом угле 70°34?. Результат подтвердил точность строительного инстинкта пчел, которые путем длительной адаптации к среде достигли предела совершенства. Все же ученые были удивлены небольшой разницей в две минуты между расчетами Маральди и Кенига. Одно из двух: или измерения Маральди были не точными, или результаты Кенига были ошибочными. По существу разница не очень большая, но для научной точности такое положение было не нормальным. Четыре года спустя английский математик Маклорен пересмотрел расчеты Кенига и пришел к результатам, полученным Маральди в 1712 г. Следовательно, измерения Маральди были правильными, также правильными были рассуждения Кенига. Только разница в результатах оставалась. При более подробном анализе сложившегося положения было установлено, что ошибки Кенига объяснялись ошибками логарифмических таблиц, которыми он пользовался. Следовательно, пчелы 43
еще 270 лет назад косвенно способствовали исправлению логарифмических таблиц математиков. Перед пчелами стояла следующая проблема: какую геометрическую форму должны иметь Домики, чтобы все ячейки были соединены между собой самым совершенным образом с тем, чтобы куколки как можно лучше использовали пространство в домике, где они проводят период превращения в насекомое, и как сэкономить как можно больше материала. Самое большое пространство несомненно дает округлая форма. Однако, если бы соты пчел были бы построены из цилиндрических ячеек, то они скреплялись бы лишь в точках касания и оставалось бы много свободного места между ними. Кроме того, такая форма неэкономична, так как каждый домик надо было бы строить независимо от других. Самую удобную связь дают призматические домики с основанием в форме правильных равносторонних треугольников, квадратов или шестиугольников. Их стороны отлично примыкают друг к другу, не оставляя пустого пространства. Достигается полная экономия пространства, так как стенки одной ячейки являются и стенками соседних ячеек. Однако первые две фигуры - треугольник и квадрат - создают "мертвые" пространства между вершинами углов, которыми куколка не может пользоваться. В этом случае куколка должна бы довольствоваться лишь пространством, ограниченным кругом в треугольнике или квадрате. Самой практичной формой домика является призма с сечением в форме правильного шестиугольника. Здесь много общих стенок, что дает большую экономию материала. Контур шестиугольника приближается к кругу, давая возможность куколке использовать большую часть пространства ячейки. Вот так пчелы после длительных 44
опробований выбрали форму, дающую большие преимущества, Исследования на основе расчетов показали, что шестиугольник является идеальной формой для полного использования площади. Имеется множество конструкций, сделанных из шестигранных элементов. Такие ячеистые элементы оказались очень выгодными для сборных конструкций, они очень легкие и прочные. Конструкторы, архитекторы и математики единодушны в том, что шестигранная форма является самой прочной Бобры и гидротехника При путешествии по лесистым районам Сибири или Канады, пересеченным реками и болотами, создается впечатление, что здесь проживало странное коренное население. На песчаных островках посреди рек возвышаются деревянные избушки, речушки пересекают десятки запруд; сотни соединительных каналов, похожих на известные каналы Венеции, пересекают берега рек; обжитые болота простираются на большие расстояния, а окружающие их леса срублены на высоте примерно полметра неизвестными искусными лесниками. Такими искусными строителями-гидротехниками являются бобры (Castor fiber и Castor canadensis), одни из самых крупных грызунов. Они живут в норах, вырытых по берегам рек и болот, выходы из которых находятся по крайней мере на 1,2 м ниже уровня воды, т. е. на глубине, где вода никогда не замерзает. Однако бобры не довольствуются только такими подземными домиками. Они возводят свайные постройки на озерах в форме хижин с куполом высотой 2-3 м и диаметром 3-4 м; такие строения являются местом для укрытия, "яслями" для детенышей и в то же время продовольственными складами. Если посмотреть на такие домики издалека, то создается впечатление, что ты 45
находишься в селе туземцев, которые устраивают свои селения посреди озер, куда не могут проникнуть лесные хищники. Только жилища бобров не строятся на сваях. Основание их домика из бревен находится в воде и имеет два входа: один - очень пологий опускается ко дну и служит для сбора провизии на зиму, какой являются стволы деревьев. Он похож на наклонную плоскость, по которой вкатывают на машину бочки или другие тяжелые предметы. Другой вход - повседневный, извилистый, с крутым склоном, служит животным для постоянного пользования. На таком основании, перекрытом потолком в нескольких сантиметрах выше воды, бобры строят из ила и остатков древесины купол, под которым прячут древесину, продукты питания для зимы. Таким образом древесина является не только пищей, но и строительным материалом для этих животных. Они предпочитают более мягкие части вербы, тополя, акации, ясеня. Пилой и топором служат зубы, похожие на долот. Зубами они очень быстро грызут стволы молодых деревьев. Когда надрез становится достаточно глубоким, они толкают дерево лапой и валят в направлении воды. После того как дерево упало, бобры начинают отделять от него более толстые ветки, очищают их от коры, разгрызают на части длиной около 60 см, поворачивая то одной, то другой стороной, т. е. делают так, как мы очищаем палочку перочинным ножом. Чем толще ветка, тем короче куски они отрезают. Приготовленные таким образом чурбачки бобры скатывают лапами к воде. В воде они берут по одному отрезку, прижав головой или захватив ртом, подталкивают его как плот к нужному месту, где скрываются с ним под водой. Хорошо известно, что бобры являются искусными лесниками и плотниками. Однако их талант проявляется и совершенно в другом направлении. 46
Как норы, так и хижины тесно соединены с водой. Оставить их на произвол капризов природы означает для животных постоянно подвергать свою жизнь опасности. В зависимости от времени года вода может то прибывать, то убывать. Как бурный поток воды может смыть все труды колонии, так и высыхание озер и болот делает, жизнь невозможной. Чтобы покорить стихию, существует один путь: отгораживать спокойные озерца, снабжаемые водой из рек. Бобры сумели сделать такие искусственные озерца с помощью запруд. Одни запруды в форме забора состоят из переплетений ветвей, немного закрепленных землей. Другие - настоящие плотины - состоят из массивных стволов, покрытых илом и закрепленных камнями. Человек, проехав по ним на лошади верхом, не может разрушить их. Бобры всегда делают стену плотины со стороны направления течения воды с наклоном, а противоположную сторону вертикально. Это самое подходящее сооружение чтобы плотина могла устоять перед напором воды. Если давление воды очень сильное и угрожает прорыву плотины бобры строят дополнительную плотину. Между такими плотинами образуется небольшое болотце с низким уровнем воды, которое ослабляет давление воды на основную плотину. В местах обитания бобров можно встретить целую сеть венецианских каналов. Для чего они служат? Бобры не только лесники и инженеры, они и ловкие пловцы. После того как бобры обгрызут деревья вблизи рек, они вынуждены искать другие деревья, находящиеся на значительном удалении от нор животных. Перетаскивать такие деревья по суше затруднительно, поэтому они роют каналы шириной 1,5-3 м и глубиной 1,5 м на расстояние в сотни метров, соединяя таким образом жилища с лесостоем. Несомненно, что такие прямые и спокойные соединительные каналы более практичны, чем реки. В реках 47
могут встречаться препятствия в виде водоворотов, водопадов, порогов. Более трудной проблемой является проблема заполнения каналов водой и особенно удержания воды в каналах. Если бы местность была ровная, как ладонь, то вода из озер могла бы проникать в каналы. Но что делать, если местность имеет разные уровни? В таких условиях вода не может подниматься в более высокие участки каналов, а по принципу сообщающихся сосудов она останется на том же уровне, что и вода в озере. А так как озеро находится ниже и вода из озера не может попасть на более высокие участки каналов, то старания животного были бы напрасными. Бобры нашли самое лучшее решение, которое, возможно, и позаимствовал от них человек: это система шлюзов. Вот какую ситуацию описал канадский исследователь Оу элл, который долгие годы изучал жизнь бобров. Ясеневый лес находится примерно на расстоянии 200 м от искусственного озерца грызунов. Первые 50 м находятся на ровной местности, затем идут три подъема на разной высоте и на разном расстоянии друг от друга. Сначала животные роют весь соединительный канал. Первый участок находится на одном уровне с озером и заполняется водой из озера. Чтобы поднять воду и на более высокие участки, напротив каждой ступеньки бобры строят по плотине, окружающей длинным рукавом всю возвышенную часть. Плотина строится Для сбора дождевой воды и воды из родников, стекающей но склону. Такая вода стекает в соединительный канал, который всегда будет наполнен водой. Следовательно, речь идет о системе шлюзов, камеры которых представляют участок плотин напротив канала. В результате того, что плотины имеют разную высоту - самые верхние более высокие, чем расположенные ниже - канал равномерно заполняется водой, следовательно, обеспечивается отличная транспортировка по воде. 48
Мудрая геометрия яйца Кривые поверхности часто используются в природе для прочности пространственных форм. В этом состоит секрет прочности панцирей улиток или раковин, тайна твердости панциря черепахи и даже яичной скорлупы, которая на первый взгляд кажется хрупкой, но прочность которой по сравнению с поверхностью и толщиной известковой стенки является довольно высокой. Яичная скорлупа выдерживает тяжесть птицы или рептилии, хорошо оберегает зародыш и разбивается лишь после многократных и сильных ударов детеныша, который выходит из нее в момент достижения определенной степени зрелости (и здесь прочность материала подчинена законам жизни). Яйцо послужило в качестве модели, прототипа в строительстве. В Дакаре, например, строился театр, крыша которого без какой бы то ни было внутренней, точки опоры походила на перевернутую огромную яичную скорлупу, состоящую из тонкого слоя железобетона и имеющую у основания специальный фундамент. Однако, в ходе строительства крыша начала давать трещины, подвергая опасности всю конструкцию. Проектировщики снова стали изучать яичную скорлупу. Они заметили, что секрет состоял в том, что известковый свод яйца покрыт эластичной тонкой пленкой, которая придает яйцу, структуру, имеющую предварительное напряжение. Архитекторы облегченно вздохнули. Решение было найдено. Опыт строительства в Дакаре открыл эпоху строительства крыш в форме яичной скорлупы или панциря. Самой блестящей победой в этом отношении является сооружение в австралийском порту Сиднее оперного театра, крыша которого состоит из слоистого панциря, напоминающего волны моря и чудесно вписывающегося в окружающий пейзаж. 49
Подсолнечник и гелиотропические сооружения Свет является необходимым элементом для жизни растений, источником их жизненной силы. Несмотря на то, что растения связаны с землей, а источник света перемещается по мере поворота земли, они его ищут всюду, выполняя движения, называемые фототропизмами. Hedapom Helianthus annuus был назван подсолнухом. Импозантное соцветие растения с золотистым отливом, поражающее воображение зубчатым ореолом, делает медленное и непрерывное движение в направлении движения солнца по своду с востока на запад. С таким поразительным фототропизмом связано множество легенд и сказок. Полукруговые Движения соцветия подсолнуха в направлении лучей света нашли научное объяснение в теории Вента-Холодного. При ориентировании по свету растения проявляют большую чувствительность к голубой и фиолетовой радиации с длиной волны 440 и 460 миллимикрон. Та же особенность в поглощении света присуща химическому веществу - каротину. Это оранжевое маслянистое растворенное в клетках вещество играет фотодинамическую роль, роль сенсибилизатора. Фототропические изгибы производятся ауксинами, гормонами роста. Под действием каротина лучи солнца приводят в состояние бездействия ауксины со стороны обращенного к свету органа, превращая их в лактоны, которые уже не участвуют в стимулировании роста. Ауксины, отступив на необращенную к свету сторону, продолжают выполнять свою роль стимуляторов роста, поворачивают орган в направлении света. В темное время суток неактивные ауксины восстанавливаются и равномерно размещаются по обе стороны, придавая органу нормальное положение. У подсолнуха зона поворота находится прямо под соцветием. Под действием света стебель наклоняется, и, следовательно, соцветие медленно перемещается слева направо. Последовательность таких 50
движений происходит медленно и продолжается от восхода и почти до заката солнца. Подсолнечник и гелиотропические сооружения Архитекторы внимательно изучили гелиотропическое движение подсолнуха, которое обеспечивает равномерное освещение соцветия солнцем, пытаясь найти правильное решение задачи естественного освещения всех квартир дома в течение дня. Но слепо копировать природу нельзя. Необходимо найти технический эквивалент гелиотропизма. Первым сторонником строительства жилищ, поворачивающихся за солнцем, был великий французский архитектор Ле Корбюзье. Он создал целую школу, давшую самые смелые решения: стебельковые конструкции с квартирами в форме венчика, которому придается механическим путем круговое движение, синхронизированное с вращением земли; дом в 51
форме параллелепипеда с квартирами, имеющими большие окна только на одной стороне, размещенный на роликах, позволяющих ему осуществлять непрерывное вращение; здания на подвижном основании, вращательное движение которых вокруг источника света обеспечивается фотоэлементами. Ле Корбюзье выражал надежду, что в XXI веке строения будут обеспечены в течение светлого времени суток как солнечным светом, так и солнечной энергией, которая постепенно заменит классическое отопление в быту. Растения революционизируют архитектуру Испанский архитектор Антонио Гауди и советский инженер, биолог-любитель Владимир Раздовский попытались революционизировать архитектуру, вдохновляясь формой растений. По Гауди, архитектура должна подниматься от земли к солнцу, подобно деревьям, по формам, созданным природой. Некоторые дома, которые он строил, похожи на каменную пальму, листья которой превратились в свод. Он воздвигал церкви и кафедральные соборы с наклонными башнями, подобно согнутым от ветра деревьям или создавал здания, воспроизводившие форму початка кукурузы гигантских размеров. Владимир Раздовский предложил рассматривать растения как балки. Испытывал их на гибкость и скручивание, проводил исследование стволов и листьев, создавал различные хитроумные приспособления, чтобы подвергать растения различным нагрузкам. В своей работе "Архитектоника растений" он проводит параллель между законами ботаники и сопротивления материалов, объединив их в общую работу по биологической механике. 52
Растения революционизируют архитектуру Как один, так и другой столкнулись с возражениями современников, вызвали хор протестов. И все же их идеи и исследования стали приниматься во внимание после 1960 года, когда бурное развитие городской архитектуры потребовало от конструкторов сочетания двух кажущихся антагонистичными качеств: вертикальной стройности подвижного силуэта и высокой прочности. Современные небоскребы, огромные телевизионные башни, гигантские заводские дымовые трубы должны отвечать этим двум требованиям. Если внимательно посмотреть на дом и растение, то можно заметить, что они обладают сходными чертами. Дом опирается на основание, дерево - на корень. Ствол напоминает колонну, а его крона - крышу и верхнюю структуру каркаса дома. 53
Корни, Длина которых, если их соединить один с другим, достигает десятков и даже сотен километров, играют роль тонкой арматуры, вросшей в землю и призванной удерживать ствол. Разве нельзя по этому примеру построить основание для антенны передающей станции, сэкономив при этом огромное количество тросов, которые поддерживают антенну в натянутом положении? Проведенные опыты дали блестящие результаты. Последователь Гауди архитектор Франк Лойд Райт решил разработать фундаменты для небоскреба высотой 1500 м. И далее. Ствол и стебель выполняют функции гибкой балки и опорного столба. Стебли ржи и пшеницы могут достигать высоты 2 м и толщины 2-3 мм. Если бы мы могли сохранять такие же пропорции в строительстве антенны высотой 300 м, диаметр ее не превышал бы 1,5 м, в то время как построенные в настоящее время объекты кажутся диспропорциональными мастодонтами. Сравнивая сечение стебля осоки с заводской трубой из железобетона, рассчитанной по всем правилам искусства, Игорь Губерман, известный советский бионик, обнаружил удивительные вещи как продольная и поперечная арматура, так и внутренняя полость расположены у них абсолютно идентично. Фабричная труба построена по расчетам, а осока растет сама по себе. Как фабричная труба, так и осока должны были решать одну и ту же задачу: Держаться по вертикали - осока, чтобы вбирать в себя свет солнца, а фабричная труба - для обеспечения хорошей тяги и устойчивости. Стебель полностью состоит из клеток со специальным назначением - выдерживать общую нагрузку. Клетки, придающие прочность, называются склеренхимой. Они сконцентрированы в тканях с воздушными вакуолями. Однако имеются и затвердевшие клетки, которые пожертвовав собой, обеспечивают прочность растения. Компактная сеть склеренхимы напоминает со всех точек зрения стальную железобетонную арматуру. Такие клетки, 54
состоящие из воды и целлюлозы, превосходят во многих отношениях прочность лучших стальных конструкций. Тот, кто внимательно изучал строение листьев, был удивлен тем, как растение заботливо укрепляет эти основные органы, осуществляющие фотосинтез. Сеть тонких жилок, по которым движется сок, служит поистине арматурой и обеспечивают устойчивость растения к разрушительным действиям природных факторов, таких, как ветер, дождь, град. Такая удивительно экономная и прочная структура воодушевила архитектора Пьера Луиджи Нерви на разработку огромного выставочного дворца в Турине, потолок которого с пролетом 100 м состоит из огромных плит, покрытых железобетонным полотном, толщина которого нигде не превышает 4 см. Вся структура пронизана пучками, напоминающими точное расположение жилок в листьях. Впрочем Нерви никогда не скрывал того, что посвятил многие годы изучению форм листьев. Иногда листья некоторых кустарников, чтобы иметь более прочную форму, свертываются самым различным образом. С учетом таких, простых, элегантных и сверхпрочных форм, бразильские архитекторы построили мост, прочность которого обеспечивается изгибом краев; такой мост точно напоминает наполовину скрученный лист. Усвоение человеком урока природы придало этим величественным, прочным строениям красоту и значительную экономию материала. Такой ультрасовременный город, как Бразилиа, жемчужина Бразилии из стекла и бетона, издали кажется изумительной симфонией растительных форм. Живые барометры На суше неожиданно разразившаяся буря не обязательно является угрозой для жизни. В горах можно укрыться в расщелинах камней, скал. В поле можно спрятаться под 55
ветвистыми деревьями, в населенном пункте - в первом попавшемся на пути здании. Однако в море дело обстоит иначе. Здесь человек полностью находится во власти стихии, морских волн. Таким опасностям подвергаются тысячи рыболовецких судов, которые оказались в море во время неожиданно начавшейся бури. Морские ураганы, циклоны возникают незаметно в течение 10-15 минут, время, за которое лодки, суда практически не имеют возможности укрыться. Многие тысячи людей становятся жертвами моря из-за того, что барометры показывают приближение бури лишь за 10-15 минут, когда начинается резкое снижение атмосферного давления. Поэтому неудивительно, что ученые стараются изобрести барометры с прогнозом погоды за 10-20 часов до начала бури, время, в течение которого можно принять меры, чтобы избежать опасности на мэре или в районах, где бушуют бури. Для биоников и для создателей кибернетических приборов, которые имитируют живые организмы, настоящим сюрпризом стала медуза, прозрачный желатинообразный зонтик, часто встречающийся у берега моря. Хотя это морское существо числится среди простейших организмов, оно обладает удивительным свойством "слышать" недоступные органам слуха человека инфразвуки. Она может воспринимать инфразвуковые колебания (8-13 колебаний в минуту), которые возникают при движении волн в контакте с атмосферным воздухом. Как построен такой "живой" барометр? У медузы имеется пузырь, наполненный жидкостью, в котором плавают камешки, опирающиеся на нервные нити. Этот пузырь является приемником медузы, органом, которым она слушает "голос" бури. Колебания волн давят на камешки, которые передают импульсы нервам. Когда колебания превышают определенный критический порог, так называемый порог бури, медуза принимает защитные меры: 56
удаляется от берега, на который она может быть выброшена и раздавлена волнами, уходит на глубину, где нет такого волнения, как на поверхности моря или океана. Исходя из строения "метеорологического" органа медузы, бионики создали подобное устройство, состоящее из трубки, улавливающей ультразвуки с определенными колебаниями, резонатора, передающего эти колебания трансформатору, который состоит из пьезоэлектрического кристалла, преобразующего эти колебания в импульсы электрического тока, усилителя и регистратора. Устройство, как утверждают создавшие его советские ученые, позволяет предсказывать бурю за 15 часов. Самые чувствительные сейсмографы Самые грозные стихийные бедствия для человека, когда за несколько секунд может быть разрушено все, что создано его трудом, подвергается опасности его жизнь, разрушены на сотни квадратных километров целые районы (как часто случается в Чили, Перу, в Японии, Турции, на некоторых островах Тихого океана) - это землетрясения и извержения вулканов. Наша планета периодически подвергается разрушитель- ным сильным землетрясениям, которые возникают внезапно. Ежегодно не менее 100 землетрясений носят катастрофический характер. Проваливаются целые селения погибают люди, а если землетрясения происходят на побережье, то вода дополняет разрушения от подземного толчка. Происходящие на дне моря землетрясения или извержения вулканов могут вызвать огромные волны, высотой в несколько метров, которые называются "цунами" Волна движется по воде со скоростью самолета. Пройдя огромные расстояния, она сметает на своем пути города, расположенные на побережье, и затопляет все, что попадается ей на пути. 57
Сейсмологи и вулканологи, ученые, изучающие такие геологические явления, которые представляют собой настоящие стихийные бедствия для человека, знают почти все о землетрясениях и извержениях вулканов. Свидетельством этому являются карты, фотографии, фильмы. Созданы самые совершенные приборы, называемые сейсмографами, которые регистрируют все движения земной коры вплоть до самых незначительных и самых далеких, и установлена шкала интенсивности землетрясений (Рихтера или Меркалли). Несмотря на это, до сего времени нет специальных приборов, которые заранее предупреждали бы о землетрясениях и вулканических извержениях. Так называемые предупредительные признаки (небольшие предшествующие землетрясения, "клокотание" вулканического кратера и т. д.) не являются надежными индикаторами. В этом отношении животные стоят выше человека. Чрезвычайно тонкий инстинкт некоторых животных может нас предупредить за несколько часов до начала землетрясения. Самые чувствительные сейсмографы 58
Так, в Японском море водятся рыбы, "специализи- рующиеся" на этом поприще. Они проявляют заметную активность не только в естественной среде обитания, но и в аквариумах и банках с водой. Поэтому такая рыба - "сейсмограф" разводится в специальных бассейнах и продается по дорогой цене в сейсмических районах Японии, за поведением таких рыб следят местные жители. Животные могут предупреждать даже об извержениях вулканов. Естествоиспытатели установили, что павлины, фазаны и змеи являются самыми чувствительными в этом отношении. На Мартинике змеи начали покидать склоны вулкана примерно за две недели до его извержения. Имеются также насекомые, которых местные жители считают блестящими сейсмографами. Среди них саранча. Нервная система саранчи представляет поразительный аппарат для регистрации колебаний, который реагирует на незначительные изменения амплитуды, порядка атома водорода. Саранча подает признаки беспокойства при самых незначительных движениях земной коры. Плиний рассказывает, что единственным оракулом, который предвестил гибель Помпеи, была саранча, которая за много дней до извержения Везувия покинула опасную зону. Происхождение такой чувствительности и органы, в которых она локализуется, до настоящего времени не известны. Несколько лет назад высказывали предположение, что саранча имеет способность воспринимать возникающие в эпицентре землетрясения звуки, которые ухо человека не различает. Инфразвуки, тепловая радиация или определенная концентрация вулканических эманации предупреждают тем или иным способом определенные сенсомоторные центры. В 1978 году была выдвинута новая гипотеза, которая была в общих чертах проверена собранными данными до и во время катастрофического землетрясения, которое обрушилось на Румынию вечером 4 марта 1977 года. 59
Согласно этой гипотезе в атмосфере появляются положительно заряженные аэрозоли, которые вызывают возбуждение в поведении животных Аэрозоли способствовали повышению в теле животных секреции серотонина - гормона возбуждающего действия, находящегося в тонком кишечнике, в мозгу, в эпифизе, в тромбоцитах крови. Вполне возможно, что животные (как и наиболее чувствительные люди) имеют рецепторы электрических зарядов ионизированных частиц атмосферы, включая и те, которые исходят от земной коры во время землетрясения. Обнаружение и подобное изучение таких сейсморецеп- торов позволит, как и в случае с медузой-барометром изготовить устройства, которые хотя бы за несколько часов могли предупредить о приближении этих стихийных бедствий. Эхо и техника Не "изобрели" ли летучие мыши радар? Красивую мифологическую легенду рассказывает Овидий в "Метаморфозах" о молодой нимфе, которая в один прекрасный день влюбилась в молодого и очень красивого юношу Нарцисса. Однако он остался равнодушен к ней и предпочел проводить все время, наклонившись к воде, чтобы любоваться отражением своего красивого образа. В конце концов он решил обнять собственное изображение, упал в реку и утонул. Отчаявшись, нимфа сошла с ума. Ее голос, блуждая повсюду, отвечает всем крикам в лесах и горах. Овидий, узник Томиса, не думал, что между "эхом" нежной нимфы и ночным родом летучих мышей будет установлена тайная связь. Первый шаг сделал итальянский ученый Ладзаро Спалланцани, который летом 1783 года сотни раз посещал 60
колокольню кафедрального собора в Падуе, чтобы проделать чрезвычайно интересные опыты с летучими мышами, которые гроздьями висели на запыленном выступе свода храма. Сначала он протянул множество тонких нитей между потолком и полом, затем снял несколько летучих мышей, залепил им воском глаза и отпустил. На другой день поймал летучих мышей с залепленными глазами и с удивлением заметил, что их желудок полон комаров. Следовательно, этим животным не нужны глаза для ловли насекомых. Спалланцани сделал вывод, что летучие мыши имеют неизвестное седьмое чувство, с помощью которого они ориентируются в полете. Зная об опытах Спалланцани, швейцарский естествоиспытатель Шарль Жюрин решил замазать уши летучих мышей воском. Он получил неожиданный результат: летучие мыши были не способны различать окружающие предметы, бились о стены. Чем можно объяснить такое поведение летучих мышей? Разве маленькие животные видят ушами? Известный французский анатом и палеонтолог Жорж Кювье, высокоавторитетный ученый своего времени в области биологии, отрицал исследования Спалланцани и Жюрина и выдвинул довольно смелую гипотезу. Летучие мыши, говорил Кювье, обладают тончайшим чувством осязания, находящимся на очень тонкой кожице крыльев, чувствительных к малейшему давлению воздуха, которое образуется между крыльями и препятствием. Такая гипотеза более 150 лет бытовала в мировой науке. В 1912 году изобретатель автоматического пулемета Максим совершенно случайно выдвинул гипотезу о том, что летучие мыши ориентируются с помощью эха, получаемого от шума собственных крыльев; он предложил построить на этом принципе аппарат для предупреждения судов о приближении айсбергов. 61
Голландец С. Дийкграаф в 1940 году и советский ученый А. Кузякин в 1946 году ясно показали, что органы осязания не играют никакой роли в ориентировании летучих, мышей. Таким образом, была развеяна гипотеза, которая просуществовала 150 лет. Американские ученые Д. Гриффин и Р. Галамбос сумели дать подлинное объяснение ориентированию летучих мышей. При помощи прибора для обнаружения ультразвуков они установили, что летучие мыши издают множество звуков, не воспринимаемых ухом человека. Они сумели обнаружить и изучить физические свойства "крика" летучих мышей. Воткнув в уши летучих мышей специальные электроды, американские ученые установили вместе с тем и частоту звуков, воспринимаемых их слухом. Следовательно, прогресс науки и техники позволить объяснение одной из волнующих тайн природы. Известно, что с физической точки зрения звук - это колебательные движения, распространяющиеся в форме волн в упругой среде. Частота звука (следовательно его высота) зависит от ела колебаний в секунду. Уши человека воспринимают колебания воздуха от 16 до 20000 Гц. Воспринимаемые человеком звуки частотой более 20000 Гц называются ультразвуками, они могут быть очень легко продемонстрированы при помощи введенной в воду кварцевой пластинки под давлением. При этом шум кварцевой пластинки не слышен, а видны результаты ее вибрации в форме вихрей и даже брызг, воды. С помощью кварца можно получить колебания до миллиарда герц. Ультразвук находит ныне широкое применение. С помощью ультразвука можно обнаружить самые мелкие трещины или пустоты в структуре отлитых из металла деталей. Он применяется вместо скальпеля в бескровных хирургических операциях на мозге и при резке и шлифовке сверхтвердых деталей. Летучие мыши используют ультразвук для ориентиро- вания. Ультразвук образуется вибрацией голосовых связок. 62
По своей структуре гортань похожа на свисток. Выдыхаемый легкими воздух выходит с большой скоростью и издает свист с частотой 30000-150000 Гц, не улавливаемой ухом человека. Давление воздуха, проходящего через гортань летучей мыши, в два раза больше давления пара у паровоза, что для маленького животного является большим достижением. В гортани животного возникают 5-200 звуковых колебаний высокой частоты (ультразвуковые импульсы), которые обычно продолжаются всего лишь 2-5 тысячных доли секунды. Краткость сигнала является очень важным физическим фактором: только такой сигнал может обеспечить высокую точность ультразвукового ориентирования. Исходящие от расположенного на расстоянии 17 м препятствия звуки возвращаются до летучей мыши примерно за 0,1 секунды. Если продолжительность звукового сигнала превышает 0,1 секунды, эхо, отражаемое препятствиями, которые расположены на расстоянии менее 17 м, воспринимается ухом животного одновременно с порождающим его звуком. Между тем, по интервалу времени, разделяющему конец сигнала от первых звуков и эхо, летучая мышь определяет расстояние, которое ее отделяет от объекта, отразившего ультразвук. Вот почему звуковой сигнал столь короткий. Установлено, что летучая мышь, по мере приближения к препятствию, увеличивает количество "сигналов". При нормальном полете гортань животного издает лишь 8-10 сигналов в секунду. Однако, как только животное обнаружит добычу, его полет ускоряется, число издаваемых сигналов достигает 250 в секунду. В этом состоит "изматывание" добычи путем изменения координат нападения. Аппарат "локации" у летучей мыши действует просто; и изобретательно. Животное летает с открытым ртом так, что издаваемые им сигналы излучаются в конусе с углом более 90°. Летучая мышь ориентируется путем 63
сравнения сигналов, принимаемых ее ушами, которые остаются приподнятыми в течение всего времени полета, как приемные антенны. Подтверждением такого предположения является то, что если одно ухо не действует, летучая мышь совсем теряет способность ориентироваться. Все летучие мыши подотряда Microchiroptera (мелкие летучие мыши), оснащены ультразвуковыми радарами различных моделей, которые могут быть разделены на три категории: мурлыкающие, скандирующие, кричащие или мыши с частотной модуляцией. "Мурлыкающие" летучие мыши живут в тропических районах Америки и питаются фруктами и насекомыми с листьев. Иногда их мурлыкание при поиске мошек может услышать человек, если они издают звуки на частоте ниже 20000 Гц. И летучая мышь-вампир издает такие же звуки. Мурлыкая "кабалистические формулы", она ищет во влажных лесах Амазонки обессиленных путников, чтобы высосать из них кровь. Скандирующими летучими мышами, издающими отрывистые звуки, являются rhinolofii, или летучие мыши- подковы, которые встречаются на Кавказе и в Центральной Азии; такое название они получили из-за формы складок вокруг носа. Подкова представляет собой репродуктор, который собирает звуки в направленный пучок. Скандирующие летучие мыши подвешиваются головой вниз и, поворачиваясь почти вкруговую, изучают окружающее пространство с помощью звукового пучка. Этот живой детектор остается висячим до тех пор, пока какое-нибудь насекомое не попадет в поле его звукового сигнала. Тогда летучая мышь делает рывок, чтобы схватить добычу. Во время охоты летучие мыши-подковы издают монотонные очень длительные по сравнению с их ближайшими сородичами (10-20 долей секунды) звуки, частота которых постоянна и всегда одинакова. 64
Летучие мыши в Европе и в Северной Америке изучают окружающее пространство с помощью звуков модулированной частоты. Тон сигнала и высота отражаемого звука постоянно изменяются. Такое устройство намного облегчает ориентирование по эху. В полете летучие мыши последних двух групп ведут себя по-особому. Обыкновенные летучие мыши держат уши неподвижно, прямо, а летучие мыши с носом в виде подковы непрерывно производят движения головой, а уши у них вибрируют. Однако рекордом в области ориентирования обладают летучие мыши, обитающие в районах Америки и питающиеся рыбой. Летучая мышь-рыболов летает почти у поверхности воды, резко пикирует и совершает прыжок в воду, опускает туда лапы с длинными когтями и выхватывает рыбу. Такая охота кажется удивительной, если учесть, что лишь тысячная часть испускаемой волны проникает в воду и также тысячная часть энергии эха от воды возвращается к локатору летучей мыши. Если к этому добавить, что часть энергии волны отражается в рыбе, мясо которой содержит большое количество воды, можно понять, какая ничтожно малая доля энергии достигает уха животного и какую фантастическую точность должен иметь его звуковой орган. Можно также добавить, что такую очень слабую волну нужно еще отличить от звукового фона множества помех. 70 миллионов лет существования летучих мышей на земле научили их использовать физические явления, которые еще неведомы нам. Обнаружение сигнала, возвращенного к своему источнику, значительно ослабленного и потонувшего в шуме помех, является технической проблемой, которая в высшей степени занимает умы ученых. Правда, в распоряжении человека имеется удивительный детектор на радиоволнах, так называемый радар, который за четверть века своего 65
существования сделал чудеса, кульминацией которых явились зондирование Луны и точное измерение орбиты планеты Венера. Что бы делали без радара авиация, морской флот, противовоздушная оборона, географы, метеорологи, гляциологи белых континентов? И все же радиотехники мечтают о радаре на ультразвуках летучей мыши, бесспорно более совершенном, чем тот, который изобрел человек. Маленькое существо умеет отбирать и усиливать ничтожно малую остаточную фракцию сигнала, подаваемого среди океана помех. Сталкиваясь с чрезвычайно большим шумом, называемым сумасшедшим эфиром, инженеры и техники были бы счастливы, если бы могли использовать принципы улавливания сигнала, какими пользуются летучие мыши. Если радар остается блестящим детектором для больших расстояний, то локатор летучих мышей на основе эха остается идеальным средством для малых расстояний. Предвидение природных явлений Эмпирическая метеорология С самых древних времен за сотни и даже тысячи лет до изобретения барометра люди отмечали изменение погоды по определенным эмпирическим "приметам". Так называемая "народная метеорология" основывается на наблюдениях сельского жителя, который, находясь среди природы, растений и животных, привык распознавать их поведение. Так было замечено, что перед бурей или ясным днем некоторые виды растений и некоторые домашние или дикие животные ведут себя особым образом. Тот, кто знает эти приметы, может прогнозировать с достаточной точностью изменение погоды, даже если стрелки барометра не передвинулись ни на миллиметр. Такие прогнозы основываются на чрезвычайно тонком чутье некоторых животных, которые предчувствуют изменения в атмосфере иногда за 15-20 часов до их начала. 66
Вот любопытные данные о метеорологических "поведениях" животных и растений. Эмпирическая метеорология Приметы дождя и бури - Свинья тащит солому в рот; - ласточки ловят насекомых низко над землей; - коровы поднимают голову вверх и с жадностью втягивают воздух, а надои молока снижаются; - куры ищут место для насеста как можно выше; - рыбы выпрыгивают из воды и ловят мошек на лету или не клюют на удочку, если погода испортится на несколько дней; - лягушка прячется на дно банки, куда ее поместили; - собаки свертываются клубком; - филин и лесная сова кричат пронзительно; - белки ведут себя неспокойно; 67
- животные едят корм с жадностью вечером, если следующий день будет дождливым; - кошка ищет воду и пьет больше, чем обычно; - куры и воробьи купаются в пыли, затем распускают перья; - гуси летают с шумом в стае; - жаворонки сидят неподвижно на полях и распускают перья; - тюлени укрываются на мелководье у берега или за скалами и ведут себя неспокойно; - растения на полянах, низинных сенокосных угодьях, на склонах холмов пахнут сильнее обычного; листья кажутся увядшими; - в буковых лесах бело-розовые цветки заячьего щавеля (Oxalis acetosella.) и его трилистники закрываются; - на гребнях холмов цветок Carlina acaulis втягивает колючий прицветник через большое соцветие стебля); - на горных пастбищах на высоте 1000-1800 м звезда (Scorzonera rosea) закрывает соцветие подобно одуванчику; Приметы хорошей погоды - лягушки поднимаются по стенкам банки; - ласточки летают на большой высоте; - птицы весело и звонко поют; - собаки спят, положив головы на вытянутые лапы; - бабочки скапливаются на лугах или в садах; - пчёлы активно летают; - жаворонки перелетают с места на место но пашне; - у метеочувствительных растений (заячий щавель, звезда Scorzonera rosea и Carlina acaulis) венчики раскрыты; - листья растений кажутся свежими, а цветки пахнут умеренно. 68
Морская эхолокация Сирены, морские химеры, которые подстерегали и очаровывали путешественников обманными песнями и которых, как говорят мифологические предания, даже храброму Одиссею не удалось избежать, и он был вынужден привязать себя к мачте и заткнуть уши паклей, чтобы не стать для них добычей, - не простая выдумка. Изображение их в виде женщины с телом рыбы, как и странные звуки, которые они издавали, даже если казались плодом горячего воображения, не были лишены определенного основания. Действительно, в начале XIX века известно было о существовании в зонах теплых вод группы животных, называемых сиренами, которую с научной точки зрения Линней относит к тюленям, а Кювье - к китам, внутреннее строение которых однако скорее сходно со слонами. О сиренах Кювье писал в известной своей работе "Животный мир" (1817): "Они имеют два соска на груди и щетину на верхней губе, что придает им (когда животные высовывают из воды верхнюю часть тела) отдаленное сходство с человеком, что послужило поводом для создания сказок о тритонах и сиренах". На самом деле, дюгони (Halicoridae) из Красного моря, когда стоят вертикально в воде, высовывая наружу верхнюю по грудь часть тела и деряба разведенными в стороны передние конечности как руки, ударяя по воде верхним хвостом, чтобы удерживать равновесие, напоминают издали известные изображения сирен в иллюстрациях к сказкам. Пресловутые "песни сирен" действительно существуют, но имеют совсем другое объяснение. Долгое время ученые считали, что мир морей и океанов безмолвен. Однако во время последней мировой войны было замечено, что аппараты, устанавливаемые вдоль берегов для обнаружения немецких подводных лодок, направляли флот не к 69
вражеским подводным лодкам, а к безобидным акулам и дельфинам. Впрочем, жители Ганы давно применяли искусный способ для обнаружения косяков рыб: они опускали в воду огромную деревянную ложку и приложив ухо к концу оставшейся снаружи ручки ложки и поворачивая ею, различали шумы, издаваемые рыбами, таким образом они обнаруживали косяки рыб. Язык рыб оставался долгое время неизвестным, потому что его можно различить только в воде. Поверхность воды является чем-то вроде звукового барьера, поскольку при переходе звуков из воды в воздух последний поглощает 99% их энергии. Но вот однажды во второй половине дня 7 марта 1949 года судно "Атлантик", изучая дно океана в 170 милях севернее Пуэрто-Рико, засекло на дне впадины громкие крики, которые повторялись через каждые полторы секунды. Из произведенного расчета следовало, что неизвестные существа испускали их с глубины примерно 3 ООО м. Учитывая, что киты не опускаются на такую глубину и что крабы и креветки не могут издавать такие сильные звуки, биологи пришли к выводу, что речь идет о роде рыб, которые издавали звуки для того, чтобы прозондировать глубину океана и его рельеф. Такие звуковые сигналы с глубины океана поколебали веру в то, что рыбы будто бы немы. После тщательно проведенных опытов было установлено, что рыбы, с помощью различных "речевых" органов, издают разнообразные шумы (шорох, треск, гоготание, щебетание, грохот), служащие для общения рыб между собой, для выбора направления с помощью эха и ориентирования в пространстве. Как и летучие мыши, рыбы имеют свои шумопеленгаторы. Некоторые рыбы трением зубов издают звуки вроде писка с частотой 4800 Гц. Наиболее часто рыбы используют плавательный пузырь, производя по нему удары, как по барабану. Пузырь издает низкие звуки с частотой 75-300 Гц. Морской еж при трении зубами издает звуки, 70
напоминающие скрип заржавевшей двери. Морской скорпион жужит как электрогенератор. Вид рыб, обитающих у чилийского побережья, издает последовательно четыре идентичных звука. У побережья государства Шри Ланка можно услышать даже звуки арфы. Если звуковые сигналы рыб еще хорошо не известны, то звуковые сигналы дельфинов явились объектом глубокого изучения. Дельфины, о которых по праву говорят, что они самые разумные после человека существа, и к которым человек питает наибольшую привязанность, имеют репутацию непревзойденных "говорунов". Они "разговаривают" непрерывно. Установлено, что дельфины издают звуки двух видов. Для общения между собой дельфины издают ряд прерывистых звуков с частотой от 10 до 400 Гц, а для обнаружения предметов в окружающей воде издают звуки с частотой 750-300000 Гц. Они производят ультразвуки системой воздушных мешков на черепной коробке вокруг носовых полостей, имеющих мощную мускулатуру. Мешки разделены тонкими перегородками и сообщаются между собой. Когда мышцы проталкивают воздух из одного мешка в другой, разделительные перегородки начинают вибрировать, издавая ультразвуки различной частоты. Чтобы их направить в желаемом направлении, дельфины пользуются жировой складкой лба (идеальный проводник ультразвука) и лобной костью, которая, образуя вертикальную выпуклость позади мешков, служит рефлектором. С помощью такого рефлектора дельфин исследует пространство вокруг себя. Бесспорным является тот факт, что гидролокационный аппарат дельфинов выше существующих гидр о локационных приборов как по точности, так и по радиусу действия. 71
Каким гидролокационным прибором располагает человек в настоящее время? Речь идет об акустическом зонде, идею которого выдвинули физики Константин Киловски и Поль Ланжевен во время первой мировой войны, когда немецкие подводные лодки угрожали судам союзников и побережью Англии и Франции. Акустический зонд подает единичный звук определенной частоты и силы, эхо которого позволяет определять расстояние и направление на препятствие. Звук производится осциллятором, который одновременно принимает возвращающиеся к нему колебания. Измерение эха позволяет рассчитывать глубину и определять местонахождение айсбергов, дает возможность подводным лодкам прокладывать путь под льдинами и кораблям плавать по незнакомым морям. Современные акустические зонды издают чрезвычайно интенсивный звук, равный по силе вскрику населения целого города. Необходимость в получении наиболее сильных звуков для обнаружения отдаленных объектов привела к созданию объемных зондов: вроде огромных груш, подвешенных под корпусами кораблей и подводных лодок, что их уродует и значительно снижает скорость. Вот почему живой зонд дельфина, маленький, простой, эффективный, несравнимо более совершенный, начал привлекать внимание гидроакустиков. Моль, "бесшумные" самолеты и звуковой шум Рассмотрим две серии фактов, которые кажутся несовместимыми. Известно, что единственным насекомым, которое спасается от безжалостного радара летучей мыши, является микрочешуекрылое, обычно называемое ночной молью. Она относится к очень многочисленному и не полностью установленному семейству, включающему свыше 15000 видов. Если слабые и медлительные ночные бабочки избавились от систематической охоты на них летучих 72
мышей, то это потому, что они обладают очень тонким средством "обмануть" очень точные радары. ...Огромный турбореактивный самолет, отклонившись от курса, пролетел на небольшой высоте над жилым кварталом. Два дома были разрушены от вибрации, а шестеро детей, игравших во дворе, оглохли: их барабанные перепонки лопнули от шума. Свыше 100 человек были помещены в больницу из-за устойчивых мигреней, продолжавшихся на протяжении нескольких дней. Децибелометры (сонометры) часто показывают, что в окрестностях аэропортов и крупных проспектов шумы намного выше коэффициента биологической выносливости человека. Возникает вопрос: какая связь между молью, за которой охотятся летучие мыши, и шумом современных транспортных средств, вызывающих стрессовые состояния? Кажется нелогичным, однако связь все же есть. Средство, с помощью которого ночная бабочка спасается от жадного рта летучей мыши, могло бы послужить для биоников решением проблемы уменьшения или устранения звукового загрязнения самолетами окружающей среды - мотив, который привел в конце концов к прекращению производства огромных современных аэротранспортных средств типа "Конкорд". Однако вернемся к вечеру лета 1956 года, когда на террасе своего сада известный американский зоолог профессор Кеннет Д. Редер устроил прием. В полночь один из приглашенных по обычаю приемов решил покрутить мокрую пробку о край стакана, чтобы произвести пронзительный звук. Произошло непредвиденное: ночные бабочки, оживленно летавшие вокруг источников освещения, как громом сраженные, попадали на землю. Все были уверены, что насекомые были парализованы или убиты пронзительный звуком. К удивлению присутствующих, менее чем через минуту упавшие бабочки 73
ожили, немного поползали по земле и снова стали летать. То же произошло и после повторения опыта. Заинтересовавшись таким поведением микрокрылых, Редер совместно со своим сотрудником Эшером Е. Тритом решили раскрыть тайну такого поведения ночных бабочек. Проведенные ими опыты увенчались успехом. Понаблюдав за ночной охотой летучих мышей, они установили, что большинство бабочек спасаются от сети ультразвуков путем странных с виду маневров. А происходит вот что. Когда летучая мышь приблизится к бабочке менее чем на 30 м, ее как будто бы предупреждает кто-то: она начинает вертеться кругом. Если на бабочку нападают снизу, она немного поднимается и выходит из конуса обнаружения радара. Настойчивая летучая мышь продолжает охотиться. Она уже не летает по прямой линии, а покачивается как опьяненная. Такие резкие изменения направления полета летучей мыши не случайны, а рассчитаны до миллиметра, чтобы поставить в лучшее положение аппарат обнаружения добычи. Когда насекомое, которое летает медленно, оказывается из-за таких маневров летучей мыши на расстоянии менее 6 м от него (что является очень малым, чтобы убежать), насекомое быстро убирает крылья и падает на землю, спасаясь таким образом от хищных зубов летучей мыши. Затем исследования были перенесены в лабораторию. Они показали простое и хитроумное "оружие" защиты бабочки: хотя ее уши анатомически просты, однако они максимально эффективны, а "тихий" полет осуществляется благодаря тонкой бахроме волосков длиной 2 мм, которые расположены в зоне турбулентности крыльев. Западногерманский бионик Генрих Гертель показал, какое значение может иметь для авиационной техники такая приспособленность насекомого к "тихому" полету. У турбореактивных самолетов, у которых шум создается не от движения крыльев, как у бабочки, а от шума двигателя, 74
необходимы другие системы уменьшения и поглощения шума, которые еще не изобретены. Однако в сочетании с системой устранения турбулентности крыльев при полете такие системы уменьшения звуковых вибраций двигателя постепенно приведут к появлению более тихих средств воздушного транспорта. Ночные бабочки привлекают внимание биоников еще в двух направлениях. Семейство бабочек Arctiide имеет другую систему противодействия радару летучих мышей: такую же ультразвуковую систему глушения их излучений. Независимо от биологических исследований такой способ был использован еще во время второй мировой войны с целью глушения вражеских радиостанций или дезориентации радара, обнаружившего воздушный бомбардировщик. В 1965 г., через 15 лет после его применения в военной технике, Дороти Даннинг обнаружила его у ночных бабочек видов Arctia, Parasemia, Epicalia, Callimorpha. "Аппараты" глушения, состоящие из гибкой и рифленой хитиновой пластинки, которая закрывает резонатор, находятся по обе стороны тела, вокруг третьей пары ножек. Когда насекомое сжимает и быстро расслабляет мышцы ножек, пластинка подвергается ультразвуковым колебаниям на длине волны летучих мышей. Такое глушение дезориентирует летучих мышей, которые в большинстве случаев упускают добычу. Однако установлено, что многие виды ночных бабочек, которые оснащены системой глушения и, следовательно, обладают способностью воспринимать и воспроизводить 8вук летучей мыши, являются опасными вредителями для сельского хозяйства и лесоводства. Биоакустики Франции, Германии и США в сотрудничестве с биониками изобрели радары на длине волны летучих мышей, которыми изгоняют этих вредных чешуекрылых с участков, на которых они распространены. 75
Механизмы, инструменты и орудия труда, запатентованные миллионы лет назад Отражающие зеркала Сколько раз в детстве, когда проходили ночью по улице, нас волновали маленькие фонарики, которые устремляли на нас свой свет с заборов или потайных уголков, вызывая непонятное чувство беспокойства! Как распалялось наше воображение, когда мы слушали сказки о хороших и добрых девочках, выгнанных из дома, или запоздалых путниках, которых ночью в лесу преследовали сотни горящих, как угли, глаз, приписываемых злым духам! Таинственность была развеяна, когда мы узнали, что эти огоньки не что иное, как глаза кошек или других хищных лесных животных, светящиеся ночью из-за фосфора, который попадает в их организм вместе с богатой протеинами пищей. Научное объяснение, которое давалось этому явлению 40-50 лет назад было правильным только наполовину. Маленькие рефлекторы действительно принадлежали животным, но не фосфор был причиной такого странного свечения. Исследования последних двух-трех десятилетий показали, что у хищных животных, обитающих в мрачной бездне океанов, как и у охотящихся ночью птиц и млекопитающих, глаза устроены таким образом, что способны улавливать и максимально использовать самое слабое световое излучение. У моллюсков и рыб, живущих на большой глубине, глаза имеют удлиненную, телескопическую форму и очень большой зрачок. Все эти приспособления служат для того, чтобы аккумулировать внутри глаза как можно больше лучей света и фокусировать их затем на высокочувствительные фоторецепторы. Интересной особенностью этих животных является то, что внутренняя поверхность глаза имеет блестящий слой, так называемое зеркало, которое отражает, как у кошек, падающий свет. 76
Таким образом было доказано, что глаза ночных хищных животных не производят свет, а лишь отражают слабые лучи звезд, луны, отдаленных источников света, которые попадают внутрь глаза и сосредоточиваются на их задней поверхности. В конусе света автомобильных фар глаза кошек, застигнутых на улицах, или глаза хищных животных, вышедших на окраину леса, сверкают словно алмазы именно благодаря этим зеркальцам, которые улавливают любой самый слабый свет и усиливают действие светового импульса на фоторецепторы. Следовательно, отражающие зеркала или рефлекторы также являются патентом природы. Оптика учится у лягушек и крабов Возможно, что изобретатель фотографии Н. Ньепс, придумывая первый аппарат для получения изображений, взял в качестве модели глаз млекопитающих. В начале прошлого века, когда Ньепс начал свои сенсационные опыты, успехи зоологии позволили французскому физику найти технический эквивалент такого природного фотоаппарата, каковым является глаз. Если сравнить глаз и фотоаппарат, легко можно обнаружить сходство, в общих чертах, их строения и функционирования. Хрусталик глаза может быть представлен как линза объектива, а радужная оболочка - как диафрагма аппарата. Глазное дно глаза можно сравнить с темной камерой, а сетчатую оболочку - со светочувствительной пленкой, на которую воздействует свет, вызывая определенные химические реакции. Ньепс писал: "Фотоаппарат представляет собой глаз, которому человек внушил свою волю. Проявление фотопленки в лаборатории продолжает процессы, которые происходят в мозгу, и, наконец, фотобумага предлагает для обозрения всему миру и навечно то, что глаз сообщает только на одно мгновение мозгу только одного существа". 77
Оптика учится у лягушек и крабов За 150 лет со времени изобретения в создании фотоаппаратуры, как и в технике фотографирования, достигнуты поразительные успехи. Сегодня можно говорить о фотоискусстве, которое стремится занять место в одном ряду с классическими видами искусства. Подтверждением этому служат тысячи салонов и выставок фотоискусства. В то же время и наука с жаром претендует на это эпохальное изобретение. Фотография стала неразлучным спутником исследователя, а пытливый объектив "глаза Ньепса", соединенный с инструментами исследования, в одинаковой мере раскрывает нам как грандиозные картины небосвода, так и тайны микромира, предоставляя повсюду доказательства познавательной деятельности человека. Но вот в последние десять лет бионика пытается внести новые усовершенствования в современную технику, исходя из очень тщательного изучения органов зрения. Особое внимание уделяется фоторецепторам светочувствительным элементам, а также процессам передачи этим клеткам зрительной информации и ее переработки. По мнению некоторых специалистов, исследование строения глаза, механизма и характеристик 78
видения у животных может быть полезным для улучшения фотографической техники и вообще для решения некоторых технических проблем. Уже созданы некоторые исключительно интересные устройства, исходящие из определенных особенностей глаз лягушки, краба и насекомых. Известно, например, что когда летающие насекомые (муха, комар, стрекоза) попадают в поле зрения лягушки, ее мышцы мгновенно срабатывают, а липкий язык безошибочно ловит добычу. Американская фирма "Белл- Телефон" создала искусственную систему, которая воспроизводит одну из функций сетчатки глаз лягушки, другая фирма создала модель глаза лягушки, получившую название "ретинатрон". Модель состоит из семи фотоэлементов, шесть из которых возбуждают искусственный нерв, а седьмой - центральный фотоэлемент угнетает его (делает его нечувствительным к возбуждению). Все элементы освещаются одинаково, а сигналы возбуждения и торможения взаимно компенсируются. Но, когда перед таким глазом пролетает какое-либо насекомое, оно в определенный момент прерывает луч света, который попадает на центральный фотоэлемент, обуславливая тем самым ослабление системы торможения и возбуждение "нерва". "Ретинатрон" является одним из самых лучших инструментов для слежения за полетом самолетов. Он точно улавливает радиоэхо, образованное на экране радара движущимся аппаратом, не путает его ни с каким другим сигналом и никогда не пропускает ни единого самолета или судна. Глаз краба отличается от глаз других животных способностью увеличивать контрастность изображения видимых предметов. Это свидетельствует об исключительно высокой приспособленности краба к жизни, которую он ведет на песчаном дне морей, где живые 79
существа по их окраске часто сливаются с оттенками цвета окружающей среды. Предполагается, что это свойство краба можно будет использовать в телевидении и фотографировании с воздуха и из космоса, где контрастность изображений позволяет намного лучше интерпретировать их. Солнце и звезды играют важную роль в ориентировании самолетов. У них на борту имеются так называемые компасы для навигации по звездам. К сожалению подобные инструменты можно использовать только при безоблачном небе. Бионика также решила эту задачу оптики, исходя из изучения глаз двукрылых насекомых (мух и пчел). Известно, что глаза этих насекомых являются сложными, то есть состоят из независимых элементов (омматидиев), разделенных на восемь частей и расположенных в форме звездочки. Их чувствительность к поляризованному (неравномерно рассеянному вокруг) свету зависит от направления, откуда исходит свет. Поэтому для глаз пчелы различные участки неба светятся неодинаково. Таким образом пчела определяет свое положение по отношению к солнцу даже тогда, когда небо покрыто облаками. Сконструированный по этому принципу компас с поляризованным светом для навигации по звездам может быть использован в любых, даже самых неблагоприятных условиях полета. Это позволило обеспечить нормальные воздушные перевозки, даже когда потолок облаков препятствует ориентированию с помощью классических средств. И в другом случае глаз насекомых подсказал конструкторам имеющую большое значение модель. Нетрудно предположить, что движущийся объект последовательно попадает в поле зрения каждого омматидия. Используя эту особенность, насекомое может определять скорость соответствующего объекта. Исходя из этих особенностей омматидиев было задумано и 80
сконструировано устройство, способное мгновенно измерять скорость самолетов. Устройство недорого и имеет небольшие размеры. Оно информирует наблюдателя о скорости самолета или любого другого тела, пересекающего поле оптической системы. Такими приборами оснащены и органы милиции, регулирующие уличное и дорожное движение, и с их помощью можно менее чем за секунду определить скорость движения автомобиля и установить была или нет превышена скорость. Детекторы тепла, чувствительные к инфракрасным лучам Натуралистов всегда поражала острота зрения сов. Эти хищные птицы, как бы ни была темна ночь, всегда ловят не менее 10-15 мышей или птиц. Как же им удается заметить в темноте и на большом расстоянии добычу, притаившуюся на деревьях или в кустарниках? По мнению некоторых ученых, совы видят... тепло, излучаемое телом их жертвы. Следовательно, можно предположить, что глаза некоторых видов сов воспринимают инфракрасное излучение, несущее тепло. Известно, что пучок света, пропущенный через призму, распадается на излучения с различной длиной волны и частотой, из которых наш глаз воспринимает только окрашенные участки спектра: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Но световой пучок включает также и участки, невидимые для нашего глаза: ультрафиолетовые лучи и инфракрасные лучи. Они могут быть обнаружены лишь с помощью некоторых устройств (фотопленка для ультрафиолетовых лучей, сверхчувствительные термометры для ультрафиолетовых лучей и сверхчувствительные термометры для инфракрасных лучей). Установлено, что любое теплое или нагретое тело излучает подобные невидимые лучи. Таким образом мышь или птица испускают инфракрасные лучи, и хищник, вооруженный своего рода "термометром", чувствительным к лучам 81
теплового действия, в состоянии обнаружить и точно определить нахождение своей жертвы. Детекторы тепла, чувствительные к инфракрасным лучам Не только совы, но и кальмары (Loligo), родственные сепиям и черепахам, обладают способностью видеть инфракрасные лучи. Польский исследователь Войтусяк доказал, что черепах можно приучить воспринимать инфракрасное излучение как видимые сигналы. Что касается кальмаров, то их некоторые глубоководные виды помимо обычных глаз имеют и так называемые термоскопические глаза, чувствительные к инфракрасному излучению. Эти глаза разбросаны по всей нижней поверхности хвоста в виде темных пятен. Микроскопический анализ показал, что эти органы имеют такое же строение, как и обычные глаза, но снабжены фильтром, пропускающим только инфракрасные лучи. Фильтр расположен перед хрусталиком, который 82
направляет пучок тепловых лучей на орган, призванный воспринимать их. Особые приспособления Для обнаружения тепла недавно были изучены у змей, и собранные наблюдения представляют исключительный интерес. Изучались змеи, относящиеся к семейству гремучих (Crotalidae). Эти змеи отличаются от всех своих родичей необычной особенностью: наличием на голове четырех "ноздрей". В действительности на каждой стороне головы (между настоящей ноздрей и глазом) у змеи еще имеется глубокая и довольно большая впадина. В течение более двухсот лет ученые пытались понять назначение этих дополнительных "ноздрей". После тщательного изучения около пятидесяти лет тому назад, а именно в 1937 году, американские ученые Нобль и Шмидт доказали, что эти фациальные углубления являются детекторами тепла, предназначенными улавливать тепловые излучения и по направлению на них определять место испускающего их тела. Они установили, что эти змеи способны обнаруживать теплые предметы, температура которых лишь на 0,2°С превышает температуру окружающего воздуха. В холодной атмосфере детектор функционирует с еще большей точностью, что говорит о том, что он был предназначен для ночной охоты. Благодаря ему змея обнаруживает мелких теплокровных млекопитающих и птиц. Следовательно, не запах, а тепло тела выдает жертву. Впрочем, у змей зрение и обоняние развиты очень слабо, не говоря уже о, слухе. Еще более строгие опыты, проведенные в 1952 г. американскими физиологами Т. Булоком и Р. Коулсом, неоспоримо доказали, что самую сильную реакцию вызывают инфракрасные лучи с длиной волны 0,1-0,015 мм, то есть лучи, обладающие наибольшей тепловой энергией, излучаемой телом теплокровного животного. Они же открыли, что физический принцип, которой лежит в основе механизма обнаружения теплового излучения у змей совсем иной, чем у сепий. Восприятие объекта, излучающего 83
тепло, термоскопическими глазами сепии происходит за счет фотохимических реакций. Речь идет о процессе, сходном с процессом, имеющим место в сетчатке человеческого глаза или на фотопленке в момент ее освещения. Поглощенная органом энергия вызывает рекомбинацию светочувствительных молекул (теплочувствительных в случае сепий), которые воздействуют на нерв, порождая в мозгу представление наблюдаемого предмета. Детектор тепла у змей иной; в нем действует своего рода термоэлектрический элемент, скрытый во внешней "ноздре", предназначенной для улавливания тепла. Она связана с внутренней "ноздрей" через очень чувствительную мембрану. Во внутренней мембране поддерживается температура воздуха. Зато внешняя "ноздря" в момент обнаружения источника тепла улавливает его, нагревая переднюю стенку мембраны. Именно эта разница температуры между внешней и внутренней сторонами мембраны (причем нервы одновременно воспринимают обе температуры), создает в мозгу ощущение предмета, выделяющего тепловую энергию. В США также проводятся интенсивные исследования с целью выяснения удивительной тайны ночных бабочек, известных под названием Satumia pavonia, самцы которых могут обнаруживать самку на расстоянии 10 км. Исследователи поместили самку под стекло. Самцы продолжали лететь к самке. Помещение самки за металлическую сетку также не остановило прилета самцов. Лишь когда перед самкой был помещен экран, не пропускающий инфракрасное излучение, самцы не смогли ориентироваться. Экспериментаторы пришли к выводу, что самцы бабочек имеют своего рода "детектор инфракрасного излучения" в верхней части антенн, который становится чувствительным во время спаривания, когда тело самки 84
излучает больше тепла, чем обычно. Пусть нас не удивляет, что столь крохотный механизм, основанный на термоэлектрических элементах, позволяющих обнаруживать объекты на расстоянии десятков километров, может в самой высокой степени интересовать бионику и развитие техники обнаружения объектов с помощью инфракрасного излучения. Впрочем, техника улавливания инфракрасного излучения достигла очень больших успехов. Например, благодаря излучаемому теплу мы можем обнаруживать самые удаленные от нас звезды. Чувствительный элемент прибора, улавливающего тепловые волны - балометр - состоит из зачерненной пластинки, сопротивление которой изменяется в зависимости от температуры. С помощью детектора теплового излучения телеуправляемые ракеты направляются к цели с той же точностью, с какой гремучая змея набрасывается на жертву. Все же многие проблемы еще остаются нерешенными: видимость в темноте у которая решила бы некоторые неудобства дорожного движения в ночное время, наблюдение на расстоянии за реакциями, сопровождающимися выделением тепла в химической промышленности, замена стесняющей защитной одежды, которой ныне оснащаются акванавты, космонавты и шахтеры, миниатюрными и селективными детекторами теплового излучения. В этом отношении технике еще многому можно научиться у природы. Диатомеи, радиолярии и строения будущего В водах морей, океанов и озер живут миллиарды микроскопических водорослей, известных под названием шее, которые образуют значительную часть планктона. Они привлекают внимание тем, что покрыты прочной кремнистой оболочкой, которая их защищает. Когда Диатомеи погибают, покрытие падает на дно, образуя так называемый диатомит или "кизельгур", из которого делают динамит. Еще в прошлом веке зоологи, изучая их под 85
микроскопом, обнаружили в их скелете фантастическую архитектуру с изобретательными пространствами, с неожиданными техническими решениями и со сверхпрочными структурами, неизвестными человеку. Диатомеи, радиолярии и строения будущего Рядом с диатомеями живут и радиолярии, микроскопические существа, имеющие минерализирован- ный скелет, состоящий из кремния и стронция. Их скелет состоит из колосков, собранных в различные причудливые формы: звездочки с множеством расходящихся лучей, сферы с кружевными переплетениями, миниатюрные сеточки, шлемы и т. д. Такие оригинальные структуры могут послужить инженеру-строителю образцами для широкого применения в области строительства. Все эти пространственные структуры имеют огромное разнообразие, высокую прочность скелета и являются объектом тщательных исследований во многих странах мира. Мы убеждены, что в многочисленных конструкциях будущего будет использовано что-то из удивительной 86
геометрии радиолярий, восхищающей нас в иллюстрациях к блестящей монографии, которую Геккель посвятил им в конце прошлого века. Буры и сверла Намного раньше того, как первобытный человек использовал осколок кремня или нефрита для того, чтобы продырявливать дерево, более мягкие камни или рога оленя, из которых он изготавливал орудия для домашнего хозяйства и охоты, некоторые виды растений и животных использовали куда более изобретательные буры, долота и клинья. Буры и сверла Может возникнуть вопрос: какая связь может быть между живыми бурами и, например, знаменитым храмом Сераписа, построенным римлянами в Пуццоли, на берегу Неаполитанского залива? Этот храм послужил доказательством эпейрогенетических движений - очень медленных, но непрекращающихся подъемов и опусканий земной коры. От этого величественного сооружения 87
сохранились лишь три белых мраморных колонны высотой 13 м, продырявленных на высоте между 2,7 и 6,3 м от земли. Этот участок привлек внимание ученых, которые благодаря ему сумели точно установить, что же произошло с этим храмом. Вне всякого сомнения, он был построен над водой. Но в результате постепенного опускания берега в IV в. храм погрузился в воду до верхней границы продырявленного участка, проходящей на высоте 6,3 м. Приблизительно через тысячу лет, точнее в 1538 г., документы того времени говорят о повторном появлении храма. Причиной тому была новое движение земной коры, на этот раз поднятие, которое извлекло из глубин остатки римского сооружения. К интересу геологов к этому несомненному доказательству медленных движений прибавился интерес зоологов, которые заинтересовались: кто был автором этих "отметок уровня"? И велико было их удивление, когда в глубине просверленных в камне отверстий они обнаружили остатки раковин. Речь идет о фолладах или сверлящих моллюсках (Pholas), остатки которых, выброшенные волнами на пляж, встречаются и на берегу Черного моря. Моллюск, с виду напоминающий небольшой пузырек, выталкивает наружу между створками раковины длинный сифон. Напрасно мы будем стараться вырвать его из укрытия. Вход остается очень узким. Вначале моллюск проделал отверстие по размерам своего тела, а затем вырос и остался пленником своего собственного обиталища. Фоллады совершают свою работу в полном тишине. Какое-то время считали, что они выделяют своего рода кислоту (точно так же, как думали и о корнях ели, просверливающих выступы скал) наподобие азотной кислоты, с помощью которой наносят инкрустацию на металл. Но это предположение не подтвердилось, поскольку как фоллады, так и хвойные деревья живут и на кремнистых породах, которые не поддаются воздействию подобных веществ. 88
Чтобы объяснить, каким образом действуют эти моллюски, ученые вынуждены были мысленно обратиться к труду камнерезов и каменотесов. У фоллад бросаются в глаза острые зубчики на раковине. Для того чтобы дышать и питаться, моллюск убирает сифон и ритмично сжимает и разжимает створки раковины, создавая таким образом слабый ток воды. Поскольку отверстие узкое, зубчатые стороны раковин трутся о камень. После тысяч и тысяч подобных движений камень поддается. Это объяснение действительно для фоллад. Но как поступают другие сверлящие моллюски - Saxicava, Lithodomus, Petricola, раковина которых чаще всего абсолютно гладкая и которые все же, не достигая результатов фоллад, устраивают себе прибежище в камне? Тайна была выяснена. Все моллюски имеют ножку, мускулистый орган, который помогает им прикрепиться к чему-нибудь. Трудно поверить, что эта ножка, которая действует у сверлящих моллюсков наподобие долотца с круглым окончанием у каменотеса или скульптора, обладает огромной силой. В отличие от моллюсков, обитающих на песке, у моллюсков, обитающих на камне, мускулистая ножка покрыта очень мелкими кристаллами кремния, которые увеличивают ее прочность и в то же время служат в качестве наждачной бумаги. Впрочем, и у фоллад ножки наряду с зубчиками раковины играют аналогичную роль при сверлении. Теперь легко себе представить, как работают фоллады. Они находят небольшую выемку в камне. Ножка закрепляется и ударами и трением начинает углублять отверстие. Затем посредством непрерывного движения покрытых зубчиками створок отверстие постепенно расширяется. Чрезвычайно остроумными являются растительные сверла, являющиеся моделью для сверл в технике, приводимых в действие силой воды. Оригинальный прием для обеспечения потомства, который 89
связан с характерным способом рассеивания семян, используют два вида растений. Ковыль (Stipa) является злаком, хорошо известным благодаря его шелковистым "перьям" длиной 10-15 см, которые нередко стоят в вазах для украшения. Очарованные красотой, мы иногда забываем изучить плод в его целостности и проследить перипетии его прорастания. Верхний конец семени ковыля продолжается длинной колючкой, оканчивающейся красивым пером и имеющей в нижней части очень острый придаток в форме крючка. Когда выпадает ночная роса, колючка, обладающая очень высокой гигроскопичностью, сгибается в нижней голой части, образуя два изгиба и приводя перо почти в горизонтальное положение. Когда снова становится тепло, стремясь возвратиться в первоначальное положение, колючка придает вращательное движение перу, которое остается неподвижным, в мельчайшем выступе почвы или зацепившись за соседнюю соломинку. Когда в следующую ночь движения оси повторяются, перо не перемещается, а передает вращательное движение семени, которое ввинчивается в почву, прочно закрепляясь в ней покрывающими его поверхность ворсинками. Когда ткани оси сожмутся от высыхания, семя уже закрепится и в следующую ночь еще больше углубится в почву. В течение нескольких дней семя уже будет надежно укрыто. Вариант этого простого и практичного механизма мы встречаем у травянистого растения (Erodium circutarium). Его продолговатый плод после высыхания очень напоминает клюв аиста или журавля. Пять составляющих плод полосок отделяются, отскакивая от оси плода, и разбрасывают семена на расстояние нескольких шагов. Каждая полоска представляет собой небольшое сверло г состоящее из гигроскопической спирали, загнутой наподобие косы на одном конце, и несущее на втором конце острое ворсистое семя. Загнутый конец упирается в комок земли, прикрепляя семя. Вечером после выпадения росы, 90
зернышко набухает, а спирали, растягиваясь, с силой заталкивают семя в почву. Днем, когда солнце высушит спирали, они сжимаются, но не могут выдернуть семя, которое хорошо закрепилось в почве с помощью направленных вверх ворсинок. Через некоторое время семя проникает достаточно глубоко в землю, чтобы защититься от превратностей засухи и ветра. Одной из проблем, которая до сих пор решается строителями примитивно, является проходка обыкновенной траншеи с кабелями, трубами или с подземными сетями или прокладка трубопровода под зданием, дорогами или асфальтированными тротуарами. Для подобных работ нет соответствующих машин, а дополнительные операции (заделка мостовой, восстановление асфальтового покрытия, уборка грунта) задерживают и удорожают стоимость работ. Природа давно решила эту проблему, снабдив некоторых животных, которые отрывают себе норы, гидродинамическими устройствами. Пытаясь пройти ход, червь (Lumbricus) до максимума сокращает кольцевую мускулатуру первого головного сегмента, превращаясь в острое копье, выискивающее малейшую трещину в почве. Если эта не удается, червь начинает вонзать в почву переднюю часть, ударяя изнутри зевом, приводимым в действие с помощью гидродинамического механизма. Повышение давления от 2 до 14 мм водяного столба позволяет наносить удары силою 8,5 г. Проделав брешь в почве, червь увеличивает давление в передней части тела, которая расширяется одновременно с образующимся отверстием. Повторяя бесчисленное число раз описанные выше Движения, червь исчезает на наших глазах. На дне моря живут небольшие морские организмы являющиеся гидравлическими бурами для любых земляных работ. Речь идет о мелких морских червях (Priapulus caudatus) красноватого цвета длиной 0,1-0,5 см, имеющих хоботок PI кольцевидную мускулатуру, которая окружает 91
тело, наполненное жидкостью. Хоботок является главным инструментом для сверления. Короткий и сильный, он сходен с покрытым шипами набалдашником или, точнее, с веткой кактуса. Этот маленький орган покрыт большим количеством легко сгибающихся назад шипов; в целом их около 1500. Вот как описывает известный советский бионик Игорь Губерман эту оригинальную систему "бурения". "Кольцевидная мускулатура червя позволяет ему сжимать челноковидное тело, которое продвигает хоботок вперед с большой силой. Выполняя эту работу, червь весом 2 г развивает силу, в сорок раз превышающую его собственный вес. С помощью шипов хоботок начинает прорывать узкий коридор, который в дальнейшем будет расширен. Жидкость, содержащаяся в теле червя, впрыскивается в хоботок и раздувает его. Тогда, расширив коридор, на который он давит все с большей силой, червь переползает вперед. В этот момент он опирается лишь на шипы, затем хоботок снова сжимается и скрывается внутри, готовый возобновить свою заботу. Следует отметить, что задняя часть тела имеет утолщение, служащее точкой опоры в момент, когда хоботок совершает движение вперед с тем, чтобы сила противодействия, огромная с учетом веса животного, не отбросила нашего землекопа назад". Исходя из этого прототипа, инженеры могли бы создать гидравлическую машину, предназначенную для земляных работ, которая направляла бы к месту срезания грунта металлический хобот высокого давления, "покрытый шипами. Эффективность такой машины увеличится еще больше, если ей придать круговое движение. Гидравлические локомобили и пневматические механизмы В 1965 году специальные журналы сообщали об испытаниях в джунглях нового средства передвижения, которое отличалось от всех известных средств транспорта, поскольку перемещалось не на колесах и не на гусеницах. 92
Они были заменены механическими органами, моделью для которых послужили ноги пауков, и которые позволяли новому транспортному средству перепрыгивать через" кустарники и через деревья там, где переплетение лиан создавало на пути труднопреодолимое препятствие. Идею конструктору подсказали удивительные конечности паука, лишенные каких-либо мышц и даже мускульных волокон, что, однако, не мешает пауку легко передвигаться. Склонившись над микроскопами, бионики с удивлением констатировали, что ноги паука представляют собой очень странный гидравлический домкрат, жидкостью для которого является кровь. При повышении кровяного давления ноги становятся длиннее. Снятый фильм показал, что нога паука действует как настоящий гидравлический домкрат. В результате значительного повышения давления орган становится крепче и его сила удесятеряется. Этим объясняются сенсационные результаты некоторых прыгающих пауков, совершающих прыжки на высоту около 10 см, в то время как их рост не превышает 1 см. Рассчитано, что для достижения таких результатов паук должен почти мгновенно повышать давление почти на половину атмосферы. Новое средство передвижения, названное арашномобилем (arachnomobil - прыгающий автомобиль), построено на основе принципа гидравлического домкрата и передвигается наподобие паука, перепрыгивая через препятствия. Замечательным гидродинамическим устройством для перемещения по дну моря является и амбулакральный аппарат, хорошо развитый у иглокожих-офиур, змеехвосток, голотурий, морских ежей и морских звезд. Радиусы морских звезд, пересечены расположенными симметрично радиальными каналами, заполненными водянистой жидкостью. Ответвления каналов входят в каждую из малых амбулакр, расположенных на овальной передней части радиусов. Во время движения жидкость 93
накачивается в амбулакры, которые намного увеличиваются в объеме, вытягиваются вперед в направлении движения и с помощью присосок прикрепляются к субстрату. Затем их мускулатура сокращается, проталкивая жидкость в каналах, и таким образом звезда немного продвигается вперед. После завершения операции амбулакры расслабляются и отцепляются от субстрата. Затем они снова наполняются жидкостью, и движение возобновляется с идеальной регулярностью до тех пор, пока животное достигнет цели. И этот амбулакральный механизм может служить моделью для техники. Многие удивляются силе, с которой побег от корня дерева пробивает асфальтовое покрытие тротуара толщиной 3-4 см, стебель одуванчика сдвигает камень весом несколько килограммов, а нежная почка подснежника пробивает весной препятствие из сухих листьев и льда на пути к свету. Эта сила объясняется тургесценцией, то есть укреплением клеток путем надавливания мембраны на их содержимое. Оно осуществляется посредством того же механизма, с помощью которого в колесах автомобиля внутренняя наполненная воздухом камера давит на внешнюю покрышку. Простые и очень прочные растительные структуры позволяют при тургесценции развивать давление внутри стеблей, равное десяткам атмосфер, иногда выше давления воздуха в котлах крупных теплоцентралей. Тургесценция у растений подсказала идею аэростатических сооружений, где объем создается благодаря повышению внутреннего давления с тем, чтобы она было выше атмосферного давления. Между детской резиновой игрушкой, которая наполняется воздухом, и растением имеется очень большое сходство: тургесценция обеспечивает растительным тканям давление и жесткость, так же, как воздух обеспечивает игрушке форму и объем. Когда воды в тканях нет, тургесценция достигает минимального уровня и растение выглядит увядшим. То же самое происходит с резиновыми игрушками: 94
бесформенные, когда из них выпущен воздух, они приобретают различные формы, если их наполнить воздухом. Аэростатические конструкции находят применение при сооружении летних театров, цирков, силосных башен, палаток, гаражей, антенн. Однако они далеки от совершенства, поскольку им угрожает непогода, и они опасно неустойчивы. Растения, особенно в водной среде, где приспособляемость достигла совершенства, и здесь придут нам на помощь. Инженеры, специалисты в области создания сельскохозяйственных машин, хранят в своих папках пока неосуществимый проект, который, если бы его удалось реализовать, мог бы значительно ускорить обработку земли. Речь идет об огромном шасси в форме дуги, протянутой от одного края поля до другого. На каждом конце этой подвижной дуги был бы прицеплен мощный трактор, а по всей длине дуги были бы прицеплены десятки плугов. Для подобного устройства, очевидно, невозможно использовать жесткую конструкцию, которая быстро вышла бы из строя под воздействием нагрузок. Но если бы несущая дуга была из пневматического материала, имитирующего тургесцентные структуры растений, недостатки и сложности отпали бы сами по себе. Каски каскадеров и дятел Мы уже так давно привыкли к виду дятла за работой с его тяжеловатым полетом от дерева к дереву, с настойчивым звучным постукиванием по дереву, что упускаем из виду, что эта скромная птица - обладательница удивительного рекорда и что бионики несколько лет тому назад начали ее изучение. 95
Каски каскадеров и дятел Познакомимся с его рекордом. Когда дятел находится 8а работой, его клюв ударяет по дереву со скоростью шесть семь метров в секунду, что составляет приблизительно двадцать километров в час. Остановка происходит практически мгновенно в одну миллисекунду, замедление при ударе в 1000 раз сильнее гравитации и приблизительно в 100 раз выше ускорения, испытываемого астронавтом во время запуска космического корабля. Если человек ударял бы головой по дереву в таком же ритме как и дятел, он почти моментально потерял бы сознание. Исследователи пытались выяснить секреты этой птицы, узнать, как ее голова выносит подобные удары. У Дятла небольшой мозг, который весит два-четыре грамма, в результате чего удар при замедлении распределяется на черепную поверхность, пропорционально большую, чем у 96
человека. Наиболее примечателен тот факт, что во время движения голова, клюв и центр тяжести мозга дятла следуют по прямолинейной, но не параллельной траектории. Шея этой птицы обладает определенной жесткостью, которая во время удара не дает голове поворачиваться. Выводы этих исследований начинают использоваться в проектировании касок для защитного обмундирования, а также для автомобилистов или мотоциклистов. Не менее неожиданным был вывод, что модель головы дятла, приспособленная к ударам, сходна с военным снаряжением прежних времен с высокими и жесткими воротниками, с доспехами и шлемами средневековых рыцарей. Ходячие присоски В теплых краях обитает ящерица, которая живет в домах людей. Она потребляет много насекомых и подбирает любую букашку, от тараканов до пробирающихся в спальню комаров и мух. Поэтому, несмотря на все отвращение, которое вызывают ее сородичи, к этой ящерице, относятся с большой симпатией и даже защищают ее. Из-за ее характерного крика "гек-гек", повторяемого 3-4 раза она получила научное название Gecko gecko. Гекко (Gecko) по размерам не превышает наших ящериц. У всех видов семейства гекконов (Geckonidae) язык имеет липкие сосочки, с помощью которых ящерица легко ловит и удерживает насекомых. Зрачок у этих ящериц вертикальный, с четырьмя омматидиями, которые позволяют получать на сетчатке четыре налагающихся друг на друга изображения. Эта особенность обеспечивает глазу возможность стереоскопического видения и, следовательно, точного определения расстояния. Этим объясняется точность прыжков ящерицы до время охоты. 97
Ходячие присоски Внимание исследователей привлекла не столько их фантастическая ловкость, сколько, в первую очередь, способность ходить по абсолютно гладким стенам, будто бросая вызов закону притяжения. Поэтому гекко была прозвана антигравитационной ящерицей. Система сцепления со скользкими стенками в последние десять лет явилась предметом тщательных исследований. Одним из исследователей, давших объяснение этому с виду необычному явлению, был румынский ученый Эуджен Пора. В своей работе "Я видел необычных животных" он раскрывает тайну такого удивительного сцепления с гладкими поверхностями. "На подошве их ног имеется своего рода "войлок", расположенный полосами наподобие иголок ели и состоящий из 18-25 рядов приблизительно по 2000 мельчайших палочек-присосок. 98
Рассматриваемые в бинокуляр-лупу, они выглядят как правильные ряды колонн. Когда ящерица ставит ногу на опору, эти палочки-присоски надавливают на нее и под действием тяжести животного под каждой из них образуется вакуум; таким образом каждый действует как мельчайший присосок, который выдерживает приблизительно одну сорокатысячную часть (на каждой ноге имеется 10000 подобных волокон-присосок) веса животного. У гекко весом 50 г каждое волокно-присосок выдерживает, следовательно, около 100 мкг. Эти волокна- присоски представляют собой специальное приспособление для ходьбы по потолку, вертикальным стенам и намного эффективнее единственной присоски на каждом пальце ноги других ящериц и лягушек. Преимущества и эффективность многочисленных микроприсосок ящерицы гекко по сравнению с простыми присосками лягушки представляются столь же очевидными, как и огромные преимущества этого типа натуральной присоски по сравнению с вакуумными присосками, используемыми в настоящее время в промышленности. Возможно, что подобно тому как пневматофоры натолкнули биоников на мысль о камере автомобильной шины, в будущем десятилетии мы будем производить пластиными с адезивными микроприсосками по модели, предложенной симпатичной ящерицей гекко. Слепые могут видеть с помощью звуков В Сахаре живет маленький ночной грызун Meriones crassus. Хотя пустыни и бедны географическими ориентирами, крыса этого вида умеет находить свое укрытие, даже если удаляется от него за 3-4 км. Замечено, что она обладает слабыми обонянием и зрением. Значит, зрение и обоняние не служат ей для ориентирования. Французский исследователь Ф. Петтер в 1968 году выдвинул интересную гипотезу, подтвержденную 10 лет 99
спустя подробными исследованиями. Meriones будто бы ориентируется по шумам и звукам, содержащим основную информацию в обычных разговорах некоторых видов, кодируя их как пространственные ориентиры. Такая форма поведения является в значительной мере инстинктивной, однако предполагает важную часть "обучения" через индивидуальный опыт. Г ипертрофированные тимпанические пузыри этой крысы позволяют осуществлять зачастую одновременный прием звуковых ориентиров с больших расстояний, и их строение, еще мало изученное, позволяет преобразовывать ряд ультразвуков в звуки и отделять симптоматичные сигналы от шумов и ультразвуковых помех. Недавно бионики начали изучать такую систему пространственной ориентации с помощью специфических звуковых ориентиров, чтобы представить в распоряжение слепых видящее "ухо". Идея оказания помощи слепым не нова, она исходит также из критерия бионики: нахождение для человека радара по образцу летучих мышей. В 1969 году английские исследователи изобрели аппарат для слепых, основанный на принципах эха. "Сондор" (так называется аппарат) издает звук в пределе слышимой частоты 16000 Гц. Слепой, у которого слух в отсутствие зрения сильно развит, достаточно быстро привыкает ориентироваться по вариациям звуков, отражаемых различными препятствиями. Однако эта система несовершенна, потому что к уличным шумам примешивается большое число помех слышимой частоты. Предлагаемое (и еще не реализованное) решение - применять ультразвуки. На экранах современных акустических зондов звуковой сигнал преобразуется в пятно. Если бы человек мог физически оценивать сигнал, его нервная система, возможно, была бы способна приспосабливаться к этому новому способу восприятия. С 100
этого момента слепые могли бы различать предметы и препятствия также по характеру отражаемого звука, но преобразованного на этот раз в электронный сигнал, используя непосредственно нервную систему без обычных органов восприятия: глаз и ушей. Новое решение, предложенное в 1976 году французскими исследователями и опубликованное в "Сиянс э ви", представляет собой ухо, созданное по модели барабанной перепонки Meriones-a, которое могло бы принимать в результате передачи непрерывного ультразвука слышимые сигналы - эхо, закодированные для каждого из главных топографических знаков, которые слепой встречает в пути (собственный дом, улица, перекресток, дерево, дверь, забор). Аппарат, который мог бы помочь при ориентировании в пространстве, находится еще в стадии изучения. Биолюминесценция и перспективы холодного света Свет, порождаемый живыми существами от романтического изумрудного мерцания светлячков до слабого свечения больной сельди, от странных световых сигналов гниющих пней в лесу до фантастической феерии на поверхности теплых морей или на сводах тропических пещер - этот свет всегда вызывал интерес людей, порождая предрассудки, предчувствия и легенды. Аристотель говорит о люминесценции грибов и рыб, Плиний Старший - о свечении улиток. Их заслуга состоит в том, что они пытались дать естественное объяснение этого явления. Так свечение моря пытались объяснить так называемым эффектом бомбардировки частиц воды частицами соли (по аналогии с искрой, возникающей при ударе стали и кремня), а свечение рыб - содержащимся в чешуе фосфором. В средние века наблюдения были дополнены Теофрастом Бомбастом Парацельсом, отцом алхимики. Он 101
первым представил жизнь как результат сложных химических процессов и в свечении живых существ предполагал проявление их жизнедеятельности. Но научные основы биолюминесценции были заложены более трех веков тому назад известным физиком Робертом Бойлем. Отвергая теорию Аристотеля, согласно которой мир состоит из четырех основных элементов (огонь, вода, земля и воздух), характерную для античного материализма, Бойль утверждал и доказал, что простые элементы, из которых состоит мир, могут быть обнаружены, путем разложения сложных веществ. Заинтересовавшись свечением в темноте испортившейся бараньей котлеты, он принялся исследовать родственную связь между этим явлением и обыкновенным светом с помощью его излюбленного инструмента - пневматической машины. Поместив в сосуд кусок светящегося дерева и разрежая в сосуде воздух, он заметил, что свечение постепенно ослабевает и через какое-то время исчезает. Когда в сосуд снова был пущен воздух, свечение приобретало прежнюю интенсивность. Таким образом он показал, что биолюминесценция находится в тесной связи с химическими реакциями, которые прекращаются в отсутствие кислорода, и что предрассудки и суеверия, порожденные этим явлением, не имеют под собой никакой почвы. Огни Люцифера Лишь 200 лет спустя, точнее в 1835 г., французский зоолог Рафаэль Дюбуа показал, что для внутриклеточного производства света необходимо основное вещество, которое он назвал люциферином, на которое Должна воздействовать диастаза, люцифераза, которая в присутствии кислорода испускает свет. Термины люциферин и люцифераза были ему подсказаны описанием путешествий Христофора Колумба. 12 октября 1492 г. в 10 часов вечера каравелла великого путешественника находилась на расстоянии примерно 150 км от суши, когда вахтенный матрос 102
сообщил, что заметил на поверхности воды дрожащие огни, будто огромное количество свечей исполняло какой-то танец. Все высыпали на палубу. Но через несколько минут свет погас так же неожиданно, как и появился. Моряки остались при убеждении, что то были огни ада, огни дьявола - Люцифера. Эти огни Люцифера, объясненное Дюбуа, открыли новую страницу в биологии, которую мы считаем далеко не закрытой. За 8-9 десятилетий исследований зоологи доказали, что свет может вырабатываться опосредованно светящимися бакгеряями-симбиотами или паразитами 143 видов и непосредственно - 153 видами в результате внутриклеточных реакций. Люминофорные органы различных животных имеют один и тот же тип строения; только одни более простые, другие более сложные. У простейших эти органы выступают в форме зернышек, разбросанных в протоплазме единственной клетки. У насекомых фотогенные органы сосредоточены наподобие гроздьев на трахеях, которые лучше снабжаются кислородом. У некоторых червей, головоногих и ракообразных люминесцентные органы находятся в слизи, выбрасываемой в окружающую среду, наподобие того, как сепия выбрасывает свои чернила. Иногда эти органы имеют более сложное строение: у каракатицы и глубоководных рыб они становятся настоящими "фарами" с сильным световым излучением. Решающий этап в изучении этих явлений был открыт в 1961 г. американскими биохимиками Уильямом Д. Мак- Эл ори и доктором Говардом Г. Се ли джером из Балтиморского университета. Они раскрыли химический состав люциферина и сумели синтезировать его. Анализ люциферазы был связан со значительными трудностями. Она представляет собой энзиму, то есть макромолекулу белка с очень сложным строением. Первые исследования показали, что она состоит приблизительно из 103
1000 единиц аминокислоты. До настоящего времени биохимикам не удалось синтезировать эту энзиму. Основные реакции образования биолюминесценции просты. Имеющая молекулы АДФ люцифераза в качестве катализатора способна вырвать из молекулы люциферина два атома водорода и заменить их атомом кислорода. В химии эта реакция называется дегидрогенизацией. В ходе этой реакции имеет место световое излучение. Американским биохимикам удалось доказать удивительный факт: число отраженных фотонов точно равно числу подвергшихся окислению молекул люциферина, то есть коэффициент полезного действия составляет 100%. Зачем нужна биолюминесценция и что она подсказывает бионике? В настоящее время точно известно, что представляет собой биолюминесценция, в результате каких химических процессов она возникает. Но до сих пор мы точно не знаем, зачем она нужна. Эпохальное открытие фотоэффекта, за которое в 1924 г. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию, Открыло перед биолюминесценцией новые перспективы. Он доказал, что свет, падающий на проводник, порождает слабый электрический ток, который может быть усилен. Одним из последствий этого открытия была разработка фотоусилителя, прибора, который позволяет регистрировать самую слабую люминесценцию. Было обнаружено, что очень слабое световое излучение является свойством всех живых тканей. Это явление было отмечено у мышечных клеток печени, мозга, кожи, а также у клеток корней, семян и листьев всех видов растений. 104
Зачем нужна биолюминесценция и что она подсказывает бионике Даже до изобретения фотоусилителя, а именно в 1920 г. американский биолог Гурвиц посредством простых опытов показал, что живая материя испускает свет. Для этого он использовал семена лука, пивные дрожжи, кровь и фрагменты опухолей, включающих клетки с высокой способностью к делению. Гурвиц высказал смелую для того времени гипотезу. "Световой поток, - говорил он, - является носителем информации, сигналом, который включает механизм деления соседних клеток и который (возможно даже) определяет закодированную программу их ближайшего будущего". В шестидесятые годы были выдвинуты две гипотезы в связи с биолюминесценцией. Этологи, среди которых отметим У. Уиба и Ф. Бака, показали, что у некоторых видов животных (светлячки, 105
тропические элатериды, глубоководные рыбы) биолюминесценция служит в качестве сигнала для взаимоузнавания индивидов того же вида, особенно в период размножения. Некоторые из этих сигналов были декодированы. С другой стороны, биохимики высказали гипотезу, что для большинства живых существ, микроскопических и макроскопических, свет представляет собой избыток энергии, от которой освобождаются молекулы клеток всякий раз, когда в результате обмена веществ они получают больше энергии, чем им необходимо. Световое излучение является как бы предохранительным клапаном, регулирующим энергетический поток и являющимся, благодаря освобождению от излишков, функцией, необходимой для равновесия и благополучия клеток организма. Согласно гипотезе Курта Калле, высказанной в 1970 г., загадочные шарики, всплывающие из глубин морей и "лопающиеся" на поверхности воды, рассеивая на десятки и сотни метров странное излучение (известные огни Люцифера, которые наблюдал Колумб), состоят из огромных скоплений морских одноклеточных организмов, образованных распространяющимися вертикально сейсмическими волнами. Представляется, что эта деятельность (как и ночное свечение на поверхности теплых морей) вызывается волнением моря, которое под действием давления волн и трения воды электризует микроорганизмы, находящиеся в зоне волнения. Пока здесь останавливаются наши знания о биолюминесценции. Когда мы декодируем видимые световые сигналы или расшифруем значение клеточной люминесценции, воспринимаемой лишь с помощью фотоусилителей, мы глубже проникнем в тайны природы, найдем пути более непосредственного общения с остальным живым миром, добьемся новых успехов в 106
медицине. Известно, например, что люминесценция крови изменяется от индивида к индивиду под влиянием некоторых разнообразных факторов, в частности типичных болезней. Бионика находит в изучении биолюминесценции еще очень мало исследованный источник для получения в нашу эпоху энергетического кризиса замечательных механизмов освещения, которые расходуют минимальное количество энергии и обеспечивают коэффициент полезного действия, близкий к 100%. Можно также говорить о перспективах открытия миниатюризованной до максимума техники связи по образцу клеточной люминесценции. Биоэлектричество, биомагнетизм и биоакустика открывают новые пути Растительные и животные компасы Как растения, так и животные пользуются очень оригинальными системами ориентирования в пространстве. Биологическим компасом пользовались за Десятки миллионов лет до его изобретения китайскими мореплавателями. Несколько видов бактерий благодаря очень маленьким "компасам" ориентируются в магнитном поле Земли. Открытие было сделано в 1980 г. Ричардом Б. Фрэнкелем из Массачусетсского университета. Кажется, бактерии сами "изготавливают" эти компасы, синтезируя их в форме магнетита из железа и кислорода. Впервые открыт вид существ, у которых восприятие магнитного поля объясняется не чувствительностью к этому полю, а постоянно включенному в них компасу. Подобный компас позволяет ориентироваться в окружающей среде. Начиная с 1957 г., когда доктор Ганс Георг Фромм, - сотрудник профессора Фридриха Вильгельма Меркеля, случайно открыл "магнитное" чувство птиц, изучая малиновок (Erithacus rubecula), которые совершали перелет 107
из Германии на юг Испании, и до настоящего времени было приведено много доказательств в поддержку существования природного "компаса" почти у всех групп животных. Было выдвинуто много гипотез. Самая последняя гипотеза американца Р. Франкеля, о которой мы упоминали выше, подтвержденная в последние Два года открытием магнетизма в голове голубя и в желудке пчелы, поднимает чрезвычайно интересную проблему, проблему предшествования биологического компаса с магнетитом компасу с магнитной стрелкой, изобретенному человеком. Растительные и животные компасы В некоторых случаях еще предстоит установить, в какой мере наличие веществ, чувствительных к земному магнетизму, включенных в живой организм, или приспособление к астрономическому режиму дня объясняют точный выбор направления север-юг. Так, обитающий в Австралии термит-"компас" строит крепости, которые могут достигать 4 м в высоту, 3 м в Длину, но только 1 м в ширину. Продольная ось этих сооружений 108
всегда без исключения совпадает с направлением север-юг. Для животных эта система сооружения имеет большое преимущество: облучение солнечным теплом остается практически одинаковым в течение всего дня. Утром и вечером более слабые солнечные лучи могут охватывать, весь термитник, но в полдень, когда лучи становятся горячими, они благодаря ориентированности на север-юг достигают лишь узкой вершины сооружения. Нам еще точно неизвестно, в чем заключается этот "компас" термитов, так же, как мы еще не знаем точно, подчиняясь какому механизму, некоторые растения, такие, как лопух (Lactuca serriola), родственник одуванчика, поворачивает в направлении север-юг срединную жилку листа, чтобы лучи не облучали всю пластинку листа, вызывая перегревание и, следовательно, опасное увеличение испарения. Утром и вечером листья лопуха находятся в естественном положении. В часы, когда солнце освещает их прямо, под воздействием ауксинов они занимают характерное положение: их ребра идут точно в направлении север-юг, а лицевые поверхности указывают на восток-запад. Поскольку ребро идет в направлении север-юг, солнечные лучи падают лишь на края листьев, а до лицевых поверхностей доходит лишь рассеянный свет. При восходе и закате солнца, когда лучи греют слабее всего, листья поворачиваются к свету своими поверхностями. "Ключом" этих движений, согласно объяснениям, которые сегодня нас уже не удовлетворяют, будто бы являются ауксины, гормоны, замедляющие или ускоряющие рост органа или части органа, что и объясняет явления изгибания или изменения направления листа. Но не в ауксинах, а в каротин е - веществе, содержащем железо, сенсибилизирующее действие которого регулирует эту "игру" ауксинов, скрывается секрет растительного "компаса". Несомненно, что как ботаники, так и бионики только выиграют от более тщательного изучения тонких и недостаточно изученных 109
механизмов ориентирования некоторых растений в направлении север-юг. Наличие предполагаемого биологического "компаса" отмечается также у насекомых (майские жуки, саранча, сверчки, осы, мухи) и у некоторых моллюсков. Два немецких зоолога Ф. Шнейдер (1961 г.) и Отто Кехлер (1965 г.) обнаружили наличие у майского жука чувства магнитного поля Земли. Независимо от степени облачности и различных манипуляций экспериментаторов с целью удаления самок майского жука от места кладки яиц, они с удивительной уверенностью обнаруживали место в лесу, где уже откладывали яйца и где появились на свет они сами. То же самое происходит с муравьями и пчелами, которые, удаляясь за пищей самыми извилистыми путями, возвращаются к себе в улей или в муравейник, как показали самые точные векторные вычисления, самым прямым путем. Американские зоологи Ф. А. Браун, М. Ф. Беннет и Г. М. Вебб открыли удивительное свойство у улитки Nassarius obsoleta, которая обитает на дне озер и болот. Она в течение дня следует по точно определенному пути в направлении северного магнитного полюса. Приставив к животному компас, магнитные стрелки которого представляли собой стрелки часов, они обнаружили, что улитка медленно двигалась кругами в направлении часовых стрелок, которые независимо от времени показывали направление север-юг. Самое широкое поле опытов для демонстрации ориентирования животных по земному магнетизму предоставляют почтовые голуби, способность которых возвращаться с больших расстояний и из неизвестных мест в свое гнездо, была известна и использовалась с давних времен. В 1965 г. Л. Талкингтон выдвинул гипотезу, что почтовые голуби имеют в глазах небольшой магнитный компас, который указывает им направление в родные места. Через 15 лет эта гипотеза, уже забытая, снова была 110
подхвачена, поскольку было доказано наличие магнетизма в голове птицы и уверенное ориентирование птиц по магнитным полюсам, а не по астрономическим (по положению звезд на небосводе) или географическим ориентирам (особенностям рельефа), как утверждали некоторые гипотезы. Однако еще необходимо уточнить соотношение между солнечным и магнитным компасами в ориентировании пчел и перелетных птиц, хотя путем исследования биоритмов в этом направлении были сделаны некоторые шаги. Несомненно то, что, выяснив эти проблемы, бионики могли бы вооружить человека и другими инструментами для ориентирования в пространстве, которые дополнят классический компас, древнюю астролябию, современный аэронавигационный компас. Электрошок, подводный электролокатор и электрический язык рыб Искусственное электричество начало свою славную историю 2600 лет назад хорошо известным опытом Фалеса Милетского. Он установил, что, если потереть кусочек янтаря (который по-гречески называется электроном, то "морская смола" приобретает свойство притягивать ягоды бузины. Удивительное свойство получило название электричества. В лаборатории электричество было получено в XVII в Отто фон Герике, изобретателем электростатической машины, и цивилизация XIX века прошла под знаком электричества. С внедрением в промышленность искусственное электричество стало повседневной потребностью современного человека. Что касается природного электричества, то до конца XVII в. его отождествляли с атмосферным электричеством, грозные проявления которого - молния и гром - в течение тысячелетий наводили ужас на человечество. Его 111
укрощение Франклином, изобретателем громоотвода, было одной из больших побед человека. Но вот опыты итальянца Луиджи Гальвани, проводившиеся примерно в одно и то же время, что и опыты Бенжамина Франклина, выявили еще одну форму природного электричества - органическое электричество, вырабатываемое живыми организмами, имеющими нервную систему. Проводя опыты на земноводных, итальянский ученый установил, что в определенных условиях в мышцах ног лягушки, отделенных от остального тела, на короткое время возникают электрические токи. Его знаменитый опыт, отвергавшийся в свое время, открыл новую главу в науке, а именно главу биоэлектричества, науку об образовании и проявлении электричества в живых организмах. Электрошок, подводный электролокатор и электрический язык рыб Сегодня общеизвестно, что все позвоночные вследствие нервной деятельности вырабатывают токи низкой частоты, что без этих биотоков было бы невозможно получать кардиограммы и энцефалограммы, невозможно было бы 112
объяснить распространение нервного возбуждения, отсутствовала бы научная база для объяснения парапсихологических явлений, которые недавно относились к области оккультизма и спиритизма (телепатия, передвижение предметов по команде, гипноз, симпатия и антипатия, светящаяся корона вокруг головы некоторых людей, так называемый ореол, которая воздействует на чувствительные пленки и т. д.). Однако имеется группа животных, у которых электрические явления проявляются с поразительной силой; они представляют собой настоящие "лейденские банки", вырабатывающие электричества, а их электрические "молнии" могут убивать мелкие существа и нанести вред человеку. Речь идет об электрических рыбах. В настоящее время известны свыше 100 видов, способных вырабатывать электричества с достаточно высокой разностью потенциалов. Рыба-торпеда (Torpedo marrriorata), обитающая в Средиземном море, развивает электрический потенциал равный 70-80 В, а электрический угорь (Electrophoms electricus) из Амазонки может вызвать электрический разряд до 500 В, способный свалить с ног лошадь и вызвать серьезные нарушения здоровья у людей. Мышечная система этих рыб снабжена вырабатывающими электричество органами, включающими 400000-1000000 "элементов", состоящих из заряженных электричеством клеток. Впрочем, это рыбы были известны еще в античности. Греки и римляне со всеми подробностями описали рыбу- торпеду, напоминающую по форме контрабас. Платон, Цицерон, Аристотель упоминают об этой рыбе в своих работах. Гален, знаменитый римский врач, даже рекомендует ее для лечения подагры и ревматизма, а мусульманские врачи Средневековья - для лечения эпилепсии. Египтяне обожествляли небольшую рыбешку Mormyrus, обитающую в Ниле, удлиненные челюсти 113
которой образуют нечто наподобие хобота. Она так хорошо ориентируется в иле, что ее практически невозможно поймать в сеть. Кроме того, она с исключительным мастерством ловит в иле личинок. Первым ученым, который на себе самом испытал силу "электрических батарей" рыб был географ и натуралист Александр фон Гумбольдт. Во время своего путешествия в 1800 году в аргентинские пампасы он, наступил на вытащенного на берег электрического угря и почувствовал сильный удар электрическим током. Для рыб, снабженных электрическими органами, "общение" посредством электричества служит для передачи очень точной информации и является характерным для них типом поведения. Профессор Франц Петер Мёгрес из Тюбингенского университета различает три типа коммуникации с помощью электрических импульсов: а) Коллективная информация. Часто встречается у рыб, обитающих на отмелях, и заключается в подаче электрических импульсов, призванных координировать движения группы. Десятки и сотни рыб одно временно, словно по команде, изменяют направление Движения. По- видимому, ведущие особи, так называемые "лидеры" группы, испускают электрические сигналы, которые в условиях высокой проводимости морской воды достигают электроприемных органов ведомых особей. Возможно, определенной силе или частоте импульса соответствует определенное расстояние и направление движения. б) Половой призыв. У одиночных мужских особей в период спаривания отмечается изменение силы электрического разряда и определенная модуляция волны подаваемых сигналов. Этот электрический сигнал привлекает одиночных самок, находящихся в радиусе действия их электролокатора. в) Разграничение территории. Можно говорить о периметре, отграниченном с помощью электрических 114
импульсов характерной интенсивности. Эта система коммуникации абсолютно необходима с учетом того, что электрические рыбы охотятся ночью в илистой среде с нулевой видимостью и могут взаимно разрегулировать свои электролокаторы, если они приблизятся друг к другу на слишком малое расстояние. Если имеет место нарушение территории друг друга, можно наблюдать оригинальные конфликты. Если особь проникает на занятую другой особью того же вида территорию, она начинает производить электрические разряды на чужой территории. Владелец, приняв импульсы, выходит навстречу вторгшемуся. Начинается жестокий бой с помощью "залпов" электрических разрядов, которые никогда не бывают смертельными (не превышают 2-30 вольт). В большинстве случаев электроразряды владельца территории с целью угрозы обескураживают чужака. Последние наблюдения выявили некоторые сенсационные факты, относящиеся к электрическим рыбам. Так рыба Astroscopus, обитающая в теплых морях, обладает приспособлением для добывания пищи с помощью электрической энергии. Рот и глаза этой рыбы находятся на спине. Если в поле ее зрения попадает мелкая рыбешка, нападающий готовится к "атаке". В момент, когда жертва окажется на уровне глаз, электрические органы получают сигнал и в направлении ее следует электрический разряд. Оглушенная рыбешка падает прямо в рот хищника. Па этому "образцу" разработан своего рода электрический невод, который при обнаружений косяка рыб автоматически включает электрогенераторы, которые создают достаточно мощное электрическое поле для того, чтобы оглушить рыбу и заставить ее упасть в сеть. Бионики установили, что водные массы морей и океанов являются отличным проводником, насыщенным электричеством, своего рода электромагнитным полем, которое можно легко исследовать с использованием 115
адекватных средств. Но каковы эти адекватные средства? Людям не удалось создать подводный радар, потому что они еще не слишком хорошо знают, какую форму и частоту имеют электрические импульсы, оптимально соответствующие физическим свойствам воды. Электрические рыбы создали такой подводный электро детектор. Параллельно с электрическими "молниями", посредством которых они защищаются или убивают жертву, они производят также слабые и безопасные разряды. Огромные угри, обитающие в морях Южной Америки, о которых мы говорили выше, слепы, что, однако, не мешает им быть отличными охотниками. Объяснение тому очень простое: все вспомогательные электрические органы этого вида рыб являются очень точными электрическими детекторами. Нильская щука (Gumnarchus niloticus) длиной до 1,5 м, родственница маленького Mormirus-a, легко передвигается также и прыжками назад. Она не нуждается в том, чтобы видеть дорогу. Частые и слабые электрические разряды (до 400 в секунду) возвращаются в виде эха к воспринимающему устройству, которое она имеет на голове, и поставляют рыбе точную информацию о пути. Когда мы сумеем разгадать все тайны этого подводного "радара", построенного на основе электромагнитных волн, мы сможем создать устройство, которое позволит нам составлять карту изменения электропроводимости. Это открыло бы неограниченные возможности для разведки минералов, проверки отлитых деталей, изучения работы плавильных печей. Наряду с приборами, использующими рентгеновские лучи или ультразвук, которые позволяют проводить недеструктивный анализ (то есть без разрушения исследуемого объекта), новую страницу в историю техники могут вписать приборы, основанные на электрическом детектировании. 116
Более простой способ производства азотных удобрений В 1886 г. два немецких исследователя Г. Гельригель и Г. Вилфарт, изучая клубеньки - утолщения на корнях овощей - показали, что микробы клубеньков живут в тесном симбиозе с растениями и поставляют последним из воздуха азот, в котором те так нуждаются для синтеза основных необходимых для их существования веществ, а протеины обязательно содержат в своем составе этот элемент. В 1888 г. Бейеринк вырастил и описал эту бактерию, назвав ее Bacillus radiciola, в дальнейшем переименованную 25-30 раз, пока она не получила свое нынешнее наименование Rhizobium leguminosarum. Последующие микроскопические исследования показали, что клубеньки являются изумительными фабриками азота. "Хозяева" этих фабрик предоставляют в их распоряжение корни, на которых бактерии "строят" самые разнообразные лаборатории для фиксации и преобразования азота. У белого люпина, например, они сморщены, у фасоли имеют круглую, а у клевера овальную форму. Их число, и размеры очень отличаются в зависимости от вида, "качества" бактерии, почвенных условий. Появление клубеньков является результатом проникновения бактерии в абсорбирующие ворсинки корня и окружающие клетки. В момент, когда клубеньки образовались, словно по сигналу зараженные клетки начинают синтезировать пигмент красного цвета, именуемый легемоглобин, который придает всему клубеньку ярко-красный оттенок. В момент окрашивания клубенек начинает фиксировать молекулярный азот, а пигмент служит для регулирования поступления кислорода, необходимого для окислительно-восстановительных реакций бактерий, которые за время своей жизнедеятельности увеличиваются в размерах в десятки раз и становятся бактероидами. В 1909 г. французские 117
исследователи Боннье и Бракель установили, что бактероиды производит особый фермент, который фиксирует атмосферный азот согласно реакции: N3 + ЗН2 > 2NH3 + 21,9 ккал (азот) (водород) (аммиак) (энергия) Аммиак служит сырьем, которое растение получает от бактерии, вводя в свой жизненный цикл, чтобы синтезировать, на этот раз самостоятельно, новые вещества. В масштабе всей планеты приблизительно 120 миллионов гектаров овощных культур ежегодно привносят в почву из атмосферы около 108 тонн усвояемого азота без какого- либо загрязнения окружающей среды. Эта цифра превышает примерно в 10 раз промышленное производство азота во всем мире в 1973 году. Удобрение земли происходит и естественным, и искусственным путем посредством внесения химических удобрений. К числу наиболее важных химических удобрений относятся и азотные удобрения, процесс производства которых сложен, длителен и дорогостоящ. Фиксация атмосферного азота является очень сложной операцией. Мощные компрессоры придают воздуху давление в несколько десятков атмосфер, а рефрижераторы охлаждают его до -200°С, превращая в молокообразную жидкость. Азот улетучивается раньше кислорода. Для очистки в него добавляют водород. Затем азот подают в камеры, где компрессоры поднимают давление смеси азота с водородом до давления в несколько сот атмосфер, получая через некоторое время аммиак и из него соли аммония. Бионики сотрудничают в настоящее время с химиками для создания промышленного эквивалента более простых, более быстрых и экономичных процессов, используемых нитробактериями. Был предложен ряд решений для упрощения и удешевления процесса производства азотных удобрений. 118
Биотоки существ, обитающих на суше Наличие электрического поля вокруг животных, обитающих на суше, изменяющегося в прямой зависимости от состояния нервной системы, было продемонстрирована более века тому назад. В 1875 г. Ричард Катон говорил о слабых токах мозга, наблюдаемых вначале у животных с помощью чувствительного вольтамперметра, приложенного к кожному покрову головы некоторых млекопитающих. Систематическое исследование биотоков начинается в 1929 году, когда Ганс Бергер, зарегистрировал ритмические биотоки и получил первые электроэнцефалограммы. После 1960 г. исследования показали наличие электрических полей у пчел, которые их используют для передачи и приема определенного информационного "кода". Было установлено также, что состояние беспокойства, которое охватывает семейство зайцев или скопление антилоп при появлении, врага, передается лидерами групп с помощью радиосигналов иногда на расстояние нескольких десятков метров. Представляется, что состояние стресса (чрезмерного нервного возбуждения) увеличивает интенсивность и радиус действия биоэлектрического поля. В 1976 г. канадские исследователи Ж. Бигудель Бланко и Цезарь Ромеро-Сьерра подтвердили испускание организмами животных и людей радиосигналов, сила которых значительно возрастает в состоянии чрезмерного возбуждения или если речь идет о нервных системах с повышенной проводимостью. Общение посредством кодированных электрических импульсов в животном мире распространено достаточно широко. У человека это явление проявляется слабее. Поэтому общение с помощью биоэлектрических импульсов от передатчика, способного посылать импульсы на большие расстояния, случайно находящемуся на той же Длине волны рецептору, способному или обученному воспринимать 119
подобные послания - так называемая телепатия, может осуществляться только очень немногими индивидуумами (так называемыми медиумами). Существование биотоков и возможность их передачи до недавнего времени оспаривались, и даже само обсуждение этой проблемы осуждалось, и здесь мы находимся лишь в начале пути. В настоящее время этими вопросами занимается новая наука парапсихология. Сотрудничество этой науки с бионикой могло бы дать чрезвычайно интересные результаты. Создание передатчиков "программ", с помощью закодированных биоэлектрических импульсов, предназначенные для различных видов вредоносных животных, могло бы рассеять на определенных угрожаемых территориях скопления вредителей. Не исключено, что в будущем, наряду с общением посредством артикулированной речи, человек будет использовать определенные механизмы, с помощью которых он будет передавать мысли на расстояния. Такая система будет более простой, более быстрой и экономной по сравнению с системами, которыми располагает цивилизация нашего века. Воспроизводство голосов природы Имитация голосов животных, птиц или млекопитающих для того, чтобы легче заманить их в капкан путем использования или человеческого голоса, или криков другого животного, или инструментов, тембр и тональность которых близки к тональности голоса животного (листья, чешуя рыб, деревянные или керамические свистки, продырявленные кости и т. д.) практикуется охотниками с самых Давних времен. Предвидя большие выгоды, которые могла бы принести имитация голоса животного в различных целях на пользу человека, бионики в сотрудничестве с акустиками и этологами (биологами, занимающимися изучением 120
поведения животных) заложили основы новой науки биоакустики. Первый международный конгресс биоакустиков состоялся в 1956 г. в Пенсильвании, США. Используя последние технические достижения (чувствительные магнитофоны, станции записи, компоновки и очистки звуков и т. д.), биоакустики сумели поставить на службу человеку оригинальную методологию, основывающуюся на воспроизводстве биологических сигналов, входящих в состав "словаря" различных видов животных и птиц. Многие секторы деятельности, имеющие большой удельный вес в экономике государств, используют результаты подобных научных исследований. Независимо от области, применения, биоакустика привносит в качестве нового элемента, имеющего прикладное значение, воспроизводство некоторых характерных биологических сигналов. Некоторые из них, именуемые "репеллентами", или сигналы предупреждения и тревоги, имеют целью удалить животных. Другие, "аттрактанты" - обычно это половые призывы, служат для сосредоточения и управления передвижением животных. Среди самых поразительных примеров использования биоакустики с применением передатчиков биосигналов отметим удаление стай саранчи с мест их формирования, удаление тысяч птиц со взлетно-посадочных полос аэропортов, где они могут вызвать серьезные аварии, заселение районов, бедных фауной. Биоакустика - молодая отрасль бионики - обещает быть самым недеструктивным средством борьбы с вредителями, поскольку сохраняет фауну от экологических катастроф, связанных с ее нерациональным уничтожением, и является одним из самых эффективных путей восстановления экологического равновесия популяций животных. 121
Химии предлагаются модели Опреснение морской воды Последние исследования показали, что морские птицы имеют замечательные "установки" для обессоливания морской воды. Как и у морских рыб, не почки играют эту роль, а носовая гланда, именуемая соляной гландой. Расположенная в верхней оконечности глазного яблока, она имеет выводной канал, который выходит в носовую полость, выводя жидкость с концентрацией натрия, в пять раз большей, чем концентрация его в крови и в 2-3 раза больше, чем в океанской воде. Эта жидкость стекает через носовые отверстия и висит на кончике клюва в виде прозрачных крупных капель, которые птица время от времени стряхивает. Когда морская птица пьет соленую воду океана или потребляет очень соленую пищу, самое большее через 10-12 минут на уровне ноздрей начинают появляться капельки жидкости. 'Крокодильи слезы' 122
У других морских животных таких, как черепахи, змеи, ящерицы и т. д., выводной канал соляной гланды открывается во внутренний угол глаза. Недавно была выяснена причина знаменитых "крокодиловых слез", которые служат не для чего иного, как для вывода избытка солей, попавших в организм вместе с водой и пищей. Ни одно обитающее на суше существо не может пить морскую воду по той простой причине, что из-за растворенных в ней солей вода создает такую разницу давления в их организме, что пресная вода клеток направляется в желудок. Таким образом, организм вместо того, чтобы утолить жажду, обезвоживается. У альбатроса клетки соляной гланды при каждом глотке морской воды мгновенно фиксируют все соли, и, таким образом, птица потребляет абсолютно пресную воду. Когда этот удивительный механизм очистки воды будет изучен, будут найдены намного более простые и эффективные решения, которые помогут заменить нынешние сложные и дорогостоящие установки для опреснения морской воды. Медицинский кабинет природы Осмотрим внимательно кабинет хирурга. Не трудно заметить среди других инструментов и орудия "пыток": клещи, ножницы, хирургические ножи, сверла, кетгутовые нити (специальные нити для сшивания тканей при операциях), шприцы, а также антисептические материалы обезболивающие средства, перевязочные материалы, протезы. Почти весь инвентарь лаборатории, где "ремонтируется" тело человека, имеет эквивалент в природе. Это дает нам основание считать, что в течение веков источником вдохновения врачей были некоторые достижения непревзойденного мастера, каковым является природа. Только для природы подобные "инструменты" были лишь средствами нападения или защиты. 123
Медицинский кабинет природы Клещи и ножницы довольно часто встречаются в мире животных. Вспомним о раках, пауках, насекомых, которые защищаются и даже нападают с помощью клешней, образовавшихся в результате преобразования некоторых частей ног или челюстей. Но есть насекомое, которое владеет ножницами так, что ему позавидует любой портной или хирург, проводящий пластические операции. Речь идет об осах Megachile, которые вырезают с геометрической точностью, в первую очередь в листьях розы, круги или овалы, которыми устилают ямку в земле, куда они откладывают яички (по одному в каждый кулечек из овала). Точность разреза вызывает удивление. Как оказалось, "циркуль" состоит из челюстей и последней пары ножек, которые прочно замирают на листе, образуя неподвижную вершину, вокруг которой насекомое, захватывая лист в мандибулы, совершает круговое движение. 50-60 лет назад обычным "инструментом" для взятия крови служили пиявки (Hirudo), которых в одинаковой мере использовали как хирурги, так и парикмахеры, прикладывая 124
их обычно на затылок или в другие места прилива крови. Они были заменены кровососными банками. Небольшой прибор прижимается к коже и при нажатии несколькими небольшими ножичками делают надрез. К надрезанному месту приставляется обыкновенный вентуз из стекла, с помощью которого отбирают столько крови, сколько необходимо. Природная "модель" бесспорно выше кровоотсоса, изготовленного человеком. Челюсти пиявки не только более безболезненно разрезают кожу, но после того, как животное насытилось и отстает от кожи, кровь продолжает течь, так как слюна пиявки обладает антикоагулирующими свойствами. Рот или челюсти некоторых головоногих и млекопитающих или клюв птиц, как и когти некоторых хищных птиц или животных, могут быть заслуживающими зависти хирургическими ножами или клещами. Взять к примеру обитающую в хвойных лесах небольшую птицу клеста (Loxia), скрюченный клюв которой является замечательными клещами и скальпелем. Можно только удивляться, видя, как эта птица за 2-3 минуты очищает от семян еловую шишку. Чтобы добраться до семян, которые находятся под крепкими чешуйками, она искусно использует свой клюв. Птица укладывает шишку на ветку и концом верхней части клюва перебивает посредине широкие чешуйки. Затем подсовывает под низ приоткрытый клюв, поворачивает его и слегка поднимает вверх крышечку, чтобы можно было вынуть семя с помощью языка. Разве ее движения не сходны немного с движениями хирурга, который извлекает из раны пулю? Чтобы избежать инфекции, используются антисептики. Растениям они были "знакомы" намного раньше XIX в., когда человек применил их впервые. В качестве антисептиков они использовали "фитонциды", открытые сравнительно недавно. Это летучие вещества, выделяемые свежими тканями некоторых высших растений, которые создают защитную среду, подавляющую или убивающую микроорганизмы. Было обнаружено, что если держать ветку 125
березы над некоторыми культурами микробов, то последние через несколько минут исчезают. Фитонциды лука и хрена убивают споры грибов Ustilago hordei (головню ячменя) за 10-15 минут, а фитонциды, выделяемые чесноком, после контакта в течение 30 минут, задерживают прорастание спор! Tilletia foetida. Слюна многих млекопитающих является сильным антисептиком и действует аналогично настойке йода или перекиси водорода. Вы не замечали, как кошки и собаки зализывают раны, полученные ими в драках и, если речь не идет о некоторых опасных вирусах, таких, как вирус бешенства, выздоравливают без последствий? Изолирующая повязка, кажется, является патентом деревьев. Подвергшиеся удару места, концы сломанных веток быстро покрываются клеем, выделяемым окружающими тканями, который зарубцовывает рану и защищает дерево от инфекции микроорганизмов. Благодаря такой растительной "повязке" человечество сегодня пользуется высокими качествами натурального каучука. О шприцах и говорить не приходится. Хелицеры пауков, зубы змей, жало пчел или ос - все они представляют собой своего рода насосы, служащие для того, чтобы с помощью иглы вводить яд в тело жертвы и нападающего врага. Бионики доказали, что наши шприцы уступают ворсинкам крапивы (Urtica dioica), самым тонким шприцам, созданным природой. Мы знали, что ворсинка крапивы, укалывая эпидерму, вводит, словно через шприц, муравьиную кислоту и другие раздражающие вещества. Игорь Губерман писал, что, если бы мы изготовили шприц из самой твердой стали того же размера, что и ворсинки крапивы, он совсем бы не обладал жесткостью и был бы не способен пройти через кожу. Более того, у крапивы края ворсинок заострены и выполняют роль скальпеля. Как видно, сравнение целиком в пользу крапивы. Птица-ткач (Ploceidae) является непревзойденным мастером. Так же, как хирурги сшивают концы порезов иглой с ниткой, так и эти птицы завершают свое гнездо, сшивая края сухой травой, используя в 126
качестве иглы свой острый клюв, которым протаскивают "нить" то на одну, то на другую сторону отверстия. Протезы тоже известны животным. У рачков Диогена, часто встречающихся в Черном море, живот мягкий, и поэтому они в любой момент могут подвергнуться нападению хищников. Тогда в качестве средства защиты они используют "протезы", которые представляют собой не что иное, как пустую раковину улитки Nassa, в которую запихивают свое тело, оставляя снаружи одни лишь антенны и клешни для охоты. Животные сами прибегают к хирургическим приемам. Ящерицы или длинноногие пауки (Opilionidae), когда в них вцепится враг, спасаются, оставляя в его рту хвост или ногу, которые со временем восстанавливаются. Это явление называется аутотомией. Кажется удивительным, что хирургический прием, известный под наименованием трепанации (просверливание какой-либо кости), в какой-то степени напоминает способ, каким добывает себе пищу улитка Murex, обитающая в Средиземном море, из которой когда-то добывался знаменитый пурпур. Захватив добычу, обычно ракушку, она охватывает панцирь одной ногой и быстро поедает ее, проделывая отверстие с ровными краями, через которое высасывает содержимое. Тщательные исследования показали, что улитка выделяет энзимы, растворяющие известковый панцирь. В данном случае химический способ заменяет трепанацию. Удивительной является имплантация в живые организмы, которую осуществляют некоторые виды ос для сохранения своего потомства. Речь идет об осах-эвменидах, которые ловят бабочек, мух, пауков и даже пчел. Затем они парализуют их, вводя яд точно в нервные центры, и тащат в свое гнездо. Там откладывают по яичку в тело каждой жертвы, которая в течение длительного времени сохраняется как "живые консервы", поскольку оса 127
парализует у нее только двигательный центр. Личинка осы постепенно пожирает ее, избегая нервных узлов. Детектор воды Образ жизни мелкой псмамофиловой фауны, обитающей во влажном и перемещающемся песке пляжей, до сих пор не изучен, хотя ее инвентаризация была завершена еще в начале нашего века. Самым типичным обитателем этой неблагоприятной для жизни среды является гаммарус (Talitrus saltator), рачок из семейства амфиподов. Он живет среди пустых панцирей ракушек и улиток, под остатками водорослей и под трупами животных, выброшенных волнами на берег. Гаммарусы выходят на поверхность, чтобы питаться остатками органического вещества, и затем укрываются в песке. Здесь они передвигаются легко, расталкивая песчинки в потоке воды с помощью хвоста и ног. Talitrus saltator имеет одну особенность, которую ученые не могли до сих пор объяснить. Известно, что гаммарус может обитать во влажной среде несколько часов, а в полностью сухой среде около 30-40 минут. Это позволило ученым вырвать его на некоторое время из среды обитания. Но отнесенный от берега на 200-300 м, он безошибочно находил направление к морю. Несколько иностранных исследователей, а в Румынии академик Эуджен Пора, пытались найти объяснение этой способности ориентироваться, получившей название "талассотаксии". Было высказано предположение, что фактором, используемым рачком для ориентирования, является морской бриз. Но он также хорошо ориентируется и ночью, когда бриз дует с побережья на море. Считалось также, что ориентиром ему служат разбивающиеся волны и образующиеся при этом звуки или ультразвуки. Отнесенные приблизительно на 300 м от берега и подвергнутые воздействию звуков, точно имитирующих 128
шум моря, но идущих с другого направления, рачки не давали себя обмануть и направлялись безошибочно в направлении берега моря. Недавние опыты с пчелами, проведенные фон Фришем и рядом американских исследователей в связи с ориентированием перелетных птиц, подсказали некоторым швейцарским и французским исследователям (Ж. Пэн, Реми Шовэн) идею, что и гаммарусы ориентируются по углу, одразуемому лучами солнца и горизонталью берега. Но и этот тезис, как и попытки некоторых генетиков рассматривать способность находить направление к морю как наследственно приобретенную, включенную в генетический аппарат индивида, были опровергнуты рядом простых опытов. Механизм, регулирующий талассотаксию еще не выяснен. Для биоников раскрытие этого механизма определения направления к воде могла бы оказаться плодотворным источником идей для создания детекторов, которые геологи могли бы использовать при поисках воды в пустынях и в горах, где гидрографическая сеть очень бедна. Органический синтез продуктов питания Русский ботаник К. А. Тимирязев, который изучал жизнь растений и раскрыл роль фотосинтеза, писал, что можно дать повару столько солнечного света, сколько он захочет, целую реку богатой солями воды и потребовать от него приготовить из этих элементов сахар, крахмал и жиры, короче говоря все, что производит зеленый лист, но его старания будут напрасными. Лабораторией является лист, местом, где происходит фотосинтез является хлоропласт, а чудесным веществом - поваром растительного мира - хлорофил, сложный пигмент зеленого цвета, основным свойством которого является удержание определенных видов светового излучения (красного и голубого), следовательно, поглощение световой энергии и фиксация с ее помощью некоторых элементов из 129
воды и воздуха, в результате чего возникает бесконечное множество органических соединений. Если предположить, что лист имеет поверхность 15 см2 и на каждом квадратном миллиметре растительной ткани имеется хотя бы 1000 хлоропластов, значит, лист насчитывает 1-2 миллиона работающих в полную силу фабрик, осуществляющих фотосинтез. Если вспомнить далее, что дерево может иметь 100000 листьев, мы получим баснословную цифру в 10-20 миллионов хлоропластов, которые одновременно поглощают солнечную энергию и производят синтез органических веществ. Допустив, что в лесу имеется несколько десятков тысяч деревьев, нетрудно представить себе огромную энергетическую мощность "Фабрики Флоры". Не удивительно, что в течение года вся флора нашей планеты производит на основе воды, воздуха и света 400 миллиардов тонн органических веществ, составляющих основную пищу животного мира. Органический синтез продуктов питания 130
Известно, что фотосинтез протекает в два этапа: светлая фаза, в ходе которой хлорофил захватывает частицы светового излучения (фотоны) и происходит фотолиз воды, и темная фаза или светохимическая фаза, в результате которой происходит интеграция поглощенного из воздуха СО2 в уже имеющиеся в хлоропластах вещества, и синтез новых органических соединений (углеводов, белков, липидов). Число образующихся в растениях веществ значительно. Некоторые из них распространены во всем растительном царстве, например различные виды сахара (фруктоза, глюкоза, сахароза), крахмал, целлюлоза, хлорофил, суберин. Кроме этого имеется очень большое число веществ, образуемых лишь определенными видами растений. Следует вспомнить о пигментах пурпурных бактерий, о смолах хвойных деревьев, о латексах и каучуке, которые производят некоторые травы и деревья, об алкалоидах, синтезируемых некоторыми семействами растений (хинин, стрихнин, кокаин, морфин и т. д.), о различных белковых соединениях, а также о маслах, приправах и ароматических веществах. Конечно, человечество получило бы фантастическую выгоду, если бы научилось искусственно получать продукты, воспроизводя механизмы и операции фотосинтеза. Большая победа была одержана в 1960 году, когда Р. Б. Вудард осуществил в лаборатории синтез хлорофилла. Но до получения синтетическим путем сахара, крахмала, жиров в промышленности еще предстоит пройти долгий путь. Другие терморегулирующие установки Установки кондиционированного воздуха являются одним из поздних завоеваний техники, поставленных на службу современному комфорту. Но уже миллионы лет назад в животном мире применялись хитроумные системы 131
проветривания и регулирования, достигающие в некоторых случаях такой степени изобретательности и совершенства, что могут вызвать зависть у любого инженера. Карл фон Фриш, получивший Нобелевскую премию за свои замечательные исследования в области поведения пчел, писал в своей известной работе "Aus dem Leben den Binnen" (Берлин, 1959 г., с. 28): "Нам представляется удивительным, что в инкубаторе пчелиного улья поддерживается постоянная температура 35 °C. Тепло выделяется вследствие того, что рабочие пчелы тысячами собираются вокруг сот. В холодную погоду они образуют клубок над запечатанными ячейками, покрывая их своими телами наподобие пухового одеяла. В жаркие дни рой распадается и пчелы вылетают наружу с тем, чтобы пары от сот конденсировались на их крыльях в виде мелких капель. Вернувшись в улей, они начинают быстро махать крыльями наподобие маленьких живых вентиляторов, освежая и охлаждая воздух и поддерживая постоянную температуру, необходимую для развития личинок". Следовательно, можно сказать, что взятая отдельно пчела является существом с переменной температурой, но в результате их совместной отлично организованной деятельности эти небольшие существа составляют большой коллективный гомеотермный организм. Другую систему регулирования температуры, основывающуюся на использовании лучистой энергии солнца, встречаем у бабочки Argynnis, постоянная температура которой составляет 32,5-33,5°С. В солнечные дни бабочка поддерживает эту относительно постоянную температуру независимо от температуры воздуха. Главной воспринимающей тепло поверхностью являются крылья. Максимальное нагревание происходит, когда крылья полностью раскрыты и направлены перпендикулярно солнечным лучам. Чем меньше угол облучения, тем слабее нагревание. Таким образом, терморегулирование у бабочек 132
достигается изменением положения крыльев. Пока температура тела ниже 35СС, крылья остаются неподвижными и раскрытыми для получения как можно большей дозы солнечной радиации. После восстановления оптимальной температуры тела бабочка начинает махать крыльями, пока не найдет самое лучшее положение, для захвата необходимой дозы солнечных лучей. Еще более поразительное сходство можно установить между центральным отоплением, осуществляемым человеком, и системой терморегулирования у термитов Macrotermes natalensis, изученных в Береге Слоновой Кости швейцарским ученым Мартином Люшером в 1959-1960 гг. Эти термиты нуждаются для жизни в условиях теплицы, то есть в постоянной температуре 30°С. Сохранение постоянной температуры двух миллионов насекомых (столько составляет население средней колонии термитов), основывается не на природном тепле тропиков, которое подвержено изменениям, а на их собственном внутреннем тепле. Они являются, по выражению Люшера, настоящими "подвижными печами". Эта система индивидуального терморегулирования изолирована от изменений температуры окружающей среды стенами толщиной 50 см, твердыми как бетон. Все же два миллиона существ, обитающих в этой крепости без дверей и окон, нуждаются в 1200 литрах свежего воздуха в сутки. Каким образом они его получают? Люшер описывает очень простую и изобретательную систему вентиляции. На внешней части термитника высотой 3-5 м можно видеть около 12 идущих вверх гребней. Эти гребни являются воздухопроводами установки терморегулирования. Их пересекают около 12 ходов для вентиляции, с помощью которых свежий воздух опускается сверху до подвальных этажей термитника. Теплый загрязненный воздух, который поднимается и скапливается в верхней части термитника, попадает в вентиляционные ходы, находящиеся в верхней 133
части сооружения, где охлаждается и вступает в контакт с внешним воздухом через микроскопические поры стен. Из этих "легких" охлажденный и очищенный от двуокиси углерода воздух спускается в обширные своды, возвышающихся примерно на 1 м над уровнем почвы. Оттуда чистый воздух распространяется во все помещения термитника. В сотнях вентиляционных ходов, идущих вдоль и поперек терморегулирующей установки, бригады термитов заняты тем, что закрывают или открывают отверстия для доступа воздуха в зависимости от времени года, времени суток, степени нагревания помещений, содержания кислорода в воздухе. Любопытная деталь: насекомые регулируют вентиляцию таким образом, чтобы оптимальная для жизни температура была всегда в середине гнезда, то есть в помещении матки ("царицы"). Как же "работники", занимающиеся вентиляцией гнезда, получают столь быструю и точную информацию о тепловом режиме в этой части сооружения, чтобы точно знать, следует ли усилить или ослабить вентиляцию? Дистанция, которая отделяет "воздухопроводчиков" от помещения "царицы", огромна. Цепи курьеров, по которым передавалась бы информация, отсутствуют. Зоологи еще не обнаружили свойства нервной системы термитов, которое говорило бы о наличии у них "сверхчувства". Был выдвинут ряд пока не получивших подтверждения гипотез. Некоторые исследователи полагают, что "воздухопроводчики" имеют систему предвидения температуры. Другие считают, что 55царица" испускает показывающие температуру феромоны. Хотя мы в настоящее время располагаем усовершенствованными установками кондиционирования воздуха, снабженными автоматическими термостатами и чувствительными приборами для контроля состава воздуха, все же раскрытие информируемого на расстоянии механизма восприятия тепла у термитов позволило бы бионикам улучшить созданные до настоящего времени технические системы. 134
Тепло животных и некоторые перспективы в области техники Удивительный инкубатор На юге и западе Австралии обитает птица, именуемая местными жителями таллегаллой, или очкастой курицей (Leipoa ocellata) из семейства Magapodidae. Ее легко узнать по бесцветному оперению и жилистым лапам с сильными, длинными и прямыми когтями, приспособленными для разгребания земли. Птица не высиживает яйца; для этого она использует тепло почвы, имеющее своим источником солнечное излучение, и ферментацию гниющих растительных остатков, из которых она сооружает большие гнезда в форме холмиков высотой 2-3 м и диаметром 3-4 м. Холмики выполняют роль инкубаторов. Самцы являются непревзойденными "истопниками", все время занятыми поддержанием в гнезде постоянной температуры. Во время влажного сезона для того, чтобы температура в гнезде не превышала 33°C, они с утра открывают холмик и оставляют его остывать. К обеду добавляют земли, которая служит тепловым экраном. Осенняя сухость останавливает ферментацию растительных веществ; тогда птица оставляет холмик открытым на весь день для того, чтобы солнечные лучи попадали на яйца, а ночью закрывает его во избежание охлаждения. В течение семи месяцев самец старательно работает таким образом для поддержания неизменной температуры. Безошибочным "термометром" служит для птицы язык и нёбо, температуру самец измеряет, беря в рот "пробу" земли. В 1959 году австралийский зоолог X. Дж. Фрит для получения дополнительных данных об образе жизни этого удивительного "истопника" поместил внутри холмика- гнезда три электрические печи, питаемые дизельной установкой, расположенной на расстоянии около 100 м. Печи включали и выключали через неравные промежутки 135
времени. Птицы, очень возбужденные тем, что не могли объяснить постоянное изменение температуры от холода к теплу, принимали все необходимые меры для поддержания в инкубаторе температуры 33°C. Австралийскому ученому с помощью трех электрических печей не удавалось изменить температурные условия в холмиках быстрее, чем их корректировала птица. Через каждые две минуты птица "термометр" отщипывала образцы почвы и, определяя их температуру с помощью языка, принимала самые адекватные решения. По образцу этой замечательной птицы в 1971 году австралийские биологи создали робот "Тага", своего рода кибернетический терморегулятор, используемый в некоторых операциях в промышленности для измерения температуры или для терморегулирования естественной ферментации. Термостат млекопитающих и человека Ни одна контролируемая электронным путем система кондиционирования воздуха не поддерживает так совершенно постоянную температуру в помещении, как естественное "центральное отопление" теплокровных млекопитающих и человека. Без этого автоматического регулирования температуры мы были бы неспособны постоянно поддерживать температуру около 37°С, независимо от того, лето сейчас или зима, находимся ли мы на полюсе или в Сахаре. "Регулируемое "центральное отопление" является одним из самых фантастических завоеваний в процессе эволюции позвоночных", утверждает западногерманский биолог Витус Дрешер. Для согревания тела необходимы три фактора: топливо, эффекторы и термостат. В отношении определения топлива и эффекторов биология не знала особых проблем. Процесс органического сгорания был хорошо выяснен еще в начале века. Самые трудные вопросы возникают в связи с 136
термостатом. В общих чертах было известно, что он состоит из одного или нескольких термометров и из контролирующего центра, который сравнивает желаемую температуру с зарегистрированными значениями и подает эффекторам при каждом отклонении соответствующие приказы. Исходя из исследований мозга грызунов, после 1955 г. было установлено, что этот саморегулирующийся термостат находится в гипоталамусе, в зоне головного мозга, находящейся в непосредственном соседстве со всеми командными постами, которые получают от него ряд указаний, например, относительно регулирования крови в артериях, что является основным фактором для обеспечения постоянства температуры. До 1960 г. были большие сомнения относительно размещения "термометров", которые передают информацию термостату. Неуверенность объяснялась ошибочными взглядами на характер чувственного восприятия. Считалось, что термометрами могут быть только клетки, чувствительные к теплу. Но поскольку к холоду или к теплу чувствительна только наша кожа, а не внутренности, был сделан вывод, что чувство тепла проявляется на поверхности тела. Вследствие этого считалось, что контролирующий пост гипоталамуса должен в той или иной форме сообразовываться с температурой кожного покрова. Заблуждение заключалось в представлении, что мы всегда автоматически осознаем стимулы, воспринимаемые чувственными клетками. Разве внутренние органы не воспринимают тепло и не передают результаты измерений непосредственно в центр терморегулирования без того, чтобы мы осознавали это? Выяснение этой проблемы представляло бы огромный интерес как для физиологии, так и для нейрокибернетики. Ясный ответ был дан только в 1960 г. немецким медиком Т. Т. Бенцигером, в то время директором научно-исследовательского института военно- морских сил США в Бетесде. 137
Закрывшись, как подопытная морская свинка, в изолированной металлической кабине и подвергнув себя ряду сложных анатомо-физиологических тестов, после сотен опытов, зачастую опасных, он открыл, наконец, искомое в течение ряда лет место расположения термостатического термометра. Он находится на периферии термоконтролирующего центра, тоже в гипоталамусе, примерно в центре головы. Там термометр втиснут между изгибами двух артерий, снабжающих кровью весь мозг. Он сообщает температуру потока крови находящемуся непосредственно рядом контролирующему центру. Если температура в самой незначительной мере превышает норму, контролирующий центр отдает приказ нейрогормональным путям сбросить избыток тепла или путем расширения сосудов кожи, или воздействуя на потовые железы. Если температура тела несколько ниже нормы, двигательные центры в частности мышечных клеток получают больше питания из резервов и кислорода с тем, чтобы они производили больше внутреннего тепла. Если механизм терморегулирования больше не функционирует, организм умирает или от холода, или от перегрева. В 1964 г. Рудольф Тауер, прикладывая к пищевому тракту подвергшихся анестезии собак мешочки с холодной водой или льдом, получил двигательные органические реакции для восстановления нормальной температуры (вздрагивание, Дрожь). Тем самым он доказал, что организм снабжен не одним лишь внутренним термометром. Этот вывод подсказал множество интересных приемов как в области медицины, так и в области кибернетики. Самым важным из них является охлаждение тела до температуры 34,5°С, когда центр термоконтроля отказывается функционировать. Пульс снижается до 40 ударов в минуту, боль и вся чувственная восприимчивость исчезает. В этих условиях проводят операции без анестезии, без боли, без очень больших потерь крови. Если снизим 138
температуру до 27°С, дыхательные движения прекращаются, пульс становится едва ощутимым, органические функции сокращаются на 70-80%, человек впадает в состояние анабиоза, в которое впадают зимой некоторые млекопитающие. Состояние искусственной зимней спячки человека является одним из стремлений медицины и кибернетики. Сократив до минимума органические функции, человек меньше потребляет и может увеличить в три или в четыре раза средний биологический возраст (70 лет). Таким образом, говорят специалисты по космической биологии, космонавты могут лучше справляться с полетами продолжительностью в несколько лет или десятков лет, которые требуют огромных запасов пищи и часто всей человеческой жизни на земле. В охлажденном организме болезни прекращают или замедляют до максимума свое развитие. Поэтому в США, например, очень богатые люди, страдающие неизлечимыми болезнями, такими, как рак, подвергают себя режиму зимней спячки с тем, чтобы пережить время в надежде, что через несколько лет будет открыто эффективное средство лечения и они будут подвергнуты реанимации и вылечены. Человек в сфере внимания бионики Эйфелева башня и ее биологическая модель Во время строительства (1889 г.) Эйфелева башня - чудовище из железа, посаженное среди "цветов из камня" традиционного Парижа, вызвала бурю протестов. Ги де Мопассан, преследуемый видением "этой ужасной вещи", присутствием этого сооружения, силуэт которого не оставлял его даже во сне, хотел покинуть Париж. Группа деятелей культуры - писателей, артистов, художников - направила резолюцию в адрес правительства, в которой выражала свое неодобрение и возмущение Эйфелевой башней - "чудовищным и бесполезным сооружением". Со временем парижане свыклись и полюбили Эйфелеву 139
башню, которая стала современным символом их города так же, как Собор Парижской Богоматери говорит о славе феодального Парижа. Фотографы увековечили ее на миллионах почтовых открыток, художники с Монмартра запечатлели ее на своих холстах, мастерские ремесленников изготавливают для туристов и парижан миллионы миниатюрных деревянных, серебряных, пластмассовых копий башни. Став составной частью современного пейзажа "столицы мира", Эйфелева башня, которая скоро будет отмечать свое столетие, до сих пор подает постоянно живой повод для восхищения и изучения инженерам-строителям. И это потому, что ее автор, инженер Гюстав Эйфель, сумел дорог нашел путем строгих расчетов, природа осуществила посредством длительного приспособления и отбора. Строение большой берцовой кости и бедренной кости человека сходны со структурой здания на Марсовом поле, даже углы между сегментами приблизительно одинаковы. В 1968 году швейцарский математик Г. Шмидт рассчитал самую адекватную структуру для нагрузок, которым подвергаются кости ноги человека. Архитектурные решения, разработанные на основе этих исследований, полностью совпадают с реальной структурой кости. Углубление исследований различных изменений костной ткани при самых разнообразных нагрузках открывает перед бионикой новые пути для расширения гаммы сооружений из железа или бетона, которые имитируют форму и внутреннее строение костей. Мышца - непревзойденный двигатель Хорошо известно, что все Движения животные производят благодаря мышцам. Они приводят в движение и ноги жирафы, и крылья бабочек, и хелицеры пауков, и челюсти акул. 140
Многие тайны строения и функционирования этого исключительного "биологического двигателя" сегодня известны. Но мы далеко не знаем всего, что необходимо Для понимания того, каким образом мышца накапливает силу и производит движение. Из анатомии (и даже эмпирически, если внимательно посмотрим в кастрюлю, где варится мясо) мы знаем, что мышца состоит из более толстых или тонких полос. Под лупой они выглядят как пучки тонких нитей, именуемых мышечными волокнами, которые, по сути, являются специфическими клетками мышцы толщиной 0,1-0,2 миллиметра и длиной от 1 -2 мм до нескольких сантиметров, в зависимости от типа мышцы и вида животного. Увеличенные в 1000-2000 раз линзами микроскопа, мышечные волокна раскрывают свое внутреннее строение. От остальных клеток тела их отличает наличие в протоплазме большого числа очень тонких волокон (толщиной до одной тысячной миллиметра), именуемых мышечными фибриллами. В свою очередь фибриллы состоят из еще более тонких нитей, миофиламентов. Необходимо соединить вместе около 150000 таких миофиламентов, чтобы получать толщину, равную одному миллиметру. Миофиламенты сплетены в определенном строгом порядке: один более толстый, Два потоньше, опять один более толстый. Они могут смещаться относительно друг друга и соединены мостиками. Во время отдыха мостики разъединены и волокна расслаблены. Во время работы мостики соединяются, фибриллы сцепляются сильнее, а волокно укорачивается, т. е. напрягается. И поскольку все фибриллы волокна напрягаются одновременно, укорачивается, сокращается волокно целиком. Сокращение всех волокон мышцы или только некоторых из них ведет к сокращению мышцы. Механизм сокращения мышцы невозможно было объяснить без помощи электронного микроскопа. Откуда же мышца берет силу для сокращения? "Сырьем" является молекула 141
аденозиндифосфата (АДФ), которая наряду с другими атомами включает и атомы фосфора, связанные с атомами кислорода. Эта молекула обладает свойством легко распадаться: один атом фосфора и несколько атомов кислорода отрываются от остальной молекулы, высвобождая много энергии. В мышечном волокне основной функцией АДФ является поставка "топлива", необходимого для сокращения мышцы. Сокращение означает движение: сокращаясь, мышца увлекает за собой кости, к концам которой она присоединена. Но сокращение мышцы означает и силу: оно преодолевает силу тяжести органа, тела и даже гравитацию. В результате производимой ею "механической работы" мышца устает быстрее (после скоростного бега) или медленнее (например, мышцы створок раковины или крыльев, птиц). Независимо от интенсивности усилия мышца должна "отдыхать". Даже у сердца, которое бьется всю жизнь, во время очередного сокращения работает только половина волокон, а вторая половина в это время отдыхает. Во время паузы мышца восстанавливает свои запасы АДФ. Энергия для восстановления молекул АДФ получается от сгорания питательных веществ, поступающих с пищей, из которых самыми важными являются сахар и жиры и которые доставляются к мышце кровью. Сгорание осуществляется с помощью кислорода, а энергия постепенно накапливается в клеточных "складах". Поэтому, когда работаем, мы должны хорошо питаться, а в горах, когда чувствуем усталость при подъеме, небольшое количество сахара поможет нам восстановить силы. Таким образом, в общих чертах мышцы можно сравнить с двигателем. Мышечные волокна для мышц представляют то же, что поршни для Двигателя. АДФ имеет то же предназначение, что и бензин, а нервный импульс можно сравнить с искрой от свечи. Само собой разумеется, сходство не исключает коренного различия: строение мышечной клетки бесконечно сложнее, двигатель сам не 142
производит топливо, в то время как мышца синтезирует АДФ, нервный импульс действует иначе, чем электрическая искра. На основании процессов, имеющих место в мышце, где химическая энергия преобразуется в механическую, Два швейцарских инженера создали модель мышцы. Для этого вместо мышечной ткани они использовали вещество с очень крупными молекулами - полиакриловую кислоту. Из этой кислоты была изготовлена тонкая пленка. Помещенная в кислый раствор пленка изменяет свое молекулярное состояние и слегка скручивается. Если ее поместить затем в щелочной раствор, она удлинится и разгладится, а если ее снова тут же перевести в кислую среду, она снова скрутится, и так далее. Таким образом в результате простой смены химической среды пленка изменяет свою форму, совершает движение, ведет себя наподобие мышцы. Если к этой "мышце" присоединить тяжесть, она будет производить механическую работу. Значит, перед нами путь прямого превращения химической энергии в механическую. Шнур из полиакриловой плёнки диаметром 1 см может поднять груз весом 100 кг, что является многообещающим результатом для техники, даже если ученым до сих пор удалось добиться лишь 3-4 сокращений в минуту. Электронный мозг В последние двадцать лет электронные машины стали необходимым инструментом во всех областях человеческой Деятельности вследствие информационного взрыва огромного потока знаний и данных. ЭВМ должны выполнять все более сложные операции за все более короткий отрезок времени. Созданы десятки и десятки типов компьютеров. Они составляют настоящие семьи, сгруппированные в "поколения", сменяющие друг Друга каждые шесть лет. Скорость действия компьютеров 143
каждого нового поколения возрастает в среднем в 10 раз, объем памяти увеличивается в 20 раз по сравнению с предыдущим. Встречаются миниатюрные компьютеры, величиной не больше спичечной коробки, и настоящие гиганты, занимающие целые залы. Независимо от формы и назначения ЭВМ строятся по образцу структуры и функционирования человеческого мозга, поэтому их называют электронным мозгом. Как и у живого существа, у компьютера имеются устройства, призванные обеспечивать его связь с внешним миром, так называемые периферийные устройства, некоторые из них являются входными, через которые информация поступает в компьютер, Другие - выходными, через которые результат переработки информации выдается в какой-либо символической форме. Мышление человека носит личный и независимый характер. "Мышление" машины управляется человеком и, следовательно, является автоматическим и осуществляется на основании программы. Имеются различные языки программирования, именуемые ФОРТРАН, КОБОЛ, ПЛ-1 и т. д. Язык компьютеров является алгоритмическим и основывается на числовом анализе. Машины оснащены так называемой памятью, представленной устройством регистрации, хранения информации и выдачи ее в случае необходимости. Единица информации именуется "бит" и была установлена Шанноном в 1948 г. Это слово происходит от английского сочетания binary digit, что означает двоичный знак. Двоичная или бинарная система известна с внедрением ее в школьные программы, с популяризацией предмета информатики и с использованием ее в компьютерах. В этой системе имеются только две различные цифры: 0 и 1. Числа от 1 до 10 записываются следующим образом: 1, 10, И, 100, 101, ПО, 111, 1001, 1010. Для того чтобы лучше понять значение понятия единицы информации, возьмем такой пример: подброшенная вверх монета падает с одинаковой вероятностью одной из сторон вверх: или орлом, или 144
решкой. Это событие, выражающее две альтернативы с равной вероятностью, носит название "бита информации". Следовательно бит соответствует операции выбора из двух вероятностей, которые мы обозначаем через 0 и 1. Если носителем биологической информации является нервное возбуждение, то носителем сигнала у компьютеров является электрический ток. Электрический ток циркулирует в машине в виде очень коротких импульсов (продолжительностью порядка миллиардных долей секунды). Таким образом достигается высокая скорость действия ЭВМ. Она способна производить в секунду миллионы арифметических действий с числами, состоящими из 10-15 цифр. За несколько минут работы машина может выполнить больше расчетов, чем статистик в течение всей своей жизни. Не следует забывать, что ЭВМ может производить не только огромный объем самых различных математических операций, но и логические операции, такие, как решение шахматных задач, постановка медицинского диагноза, принятие решений, просмотр патентов, автоматическая корректировка с Земли траектории космических спутников и т. д. Несмотря на ошеломляющие успехи ЭВМ, несмотря на впечатляющее совершенствование их параметров, намечаемое до конца столетия (доведение числа выполняемых операций до 6 200 миллионов в секунду), несмотря на то, что они превосходят человеческий мозг по объему выполняемых операций и скорости действия, ЭВМ все же отстают от их биологической модели, каковой является нейрон, краеугольный камень нервной системы. Чем же нейрон превосходит самую совершенную кибернетическую машину? Вспомним некоторые элементарные данные из анатомии. Нейрон - нервная клетка - состоит из тела и отростков, именуемых дендритами; последние служат в качестве входов, через которые в тело клетки поступают импульсы 145
возбуждения. В качестве выходов служат аксоны. Каковы же размеры нейрона? Размеры его тела менее 0,1 мм; длина дендритов изменяется от долей миллиметра до десятков сантиметров, а их диаметр составляет около одной сотой доли миллиметра. Число отростков может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Длина аксонов колеблется от долей миллиметра до 1,5 м. При передаче возбуждения по нервным волокнам важную роль играют синапсы, то есть места перехода возбуждения от одной клетки к другой. Синапсы передают возбуждение в одном направлении: от окончания аксона одного нейрона на дендриты и тело другого нейрона. Поэтому и нервные волокна проводят импульсы только в одном направлении или от центра к периферии (центробежные нервы), или от периферии к центру (центростремительные нервы). Число синапсов может быть от единицы до нескольких сотен. Особенно много их у Двигательных нейронов спинного мозга. В мозгу человека имеется около 13-15 миллиардов нейронов, клеток с исключительно сложным строением, которые, несмотря на их незначительные размеры (20 тысячных долей миллиметра), принимают бесконечное число сигналов и перерабатывают их. Таким образом нейроны принимают участие в деятельности мозга в целом. Первым преимуществом мозга по сравнению с компьютером является сосредоточение исключительно сложных функций в исключительно малом объеме, что является свидетельством высокой степени биологической эволюции. Даже в 1990 г., несмотря на все успехи миниатюризации, если бы мы захотели создать кибернетически верную модель человеческого мозга, нам пришлось бы создавать искусственный мозг размером с комнату. Вторым преимуществом является более высокая степень совершенства физиологических процессов в 146
нейроне по сравнению с механическими процессами электронного нейрона. Электронный мозг Известно, что воздействие на тело нейрона слагается из суммы действий на все входы и предшествующих сигналов. Нейрон начинает действовать, если это воздействие превышает пороговое значение. Тогда на выходе нейрона возникает стандартный с и гнал. Интересно, что сразу после возбуждающего действия импульса пороговый уровень нейрона резко возрастает до бесконечности. Это означает, что никакой новый сигнал не может заставить нейрон сработать. Что касается импульса торможения, то он является запретительным сигналом, который делает невозможным срабатывание нейрона под действием импульсов, поступающих с других входов. 147
Эти механизмы по своему совершенству и точности сводят к нулю возможность ошибки (Для ЭВМ такой результат предусматривается достичь в 2050 году). Конечно, изучение процесса передачи информации нейронами способствует дальнейшему совершенствованию ЭВМ, повышению их надежности в работе. Если, например, ЭВМ для решения какой-нибудь проблемы должна выполнить свыше 10 миллионов операций умножения, следовательно 1О10 элементарных действий, вероятность ошибки для получения надежного результата должна быть ниже 1О10. Между тем до настоящего времени подобное условие не обеспечено Даже при использовании самых совершенных технических средств. Как можно построить надежную машину из Деталей, недостаточно надежных в работе? Решение подсказывает механизм передачи информации нейронами. Вот какие соображения высказывают специалисты: некоторые элементы машины могут выдавать две независимые друг от друга ошибки: могут не выдать импульс тогда, когда требуется, и могут его выдать тогда, когда он не нужен. Следовательно, возникает потребность в устройстве, которое постоянно восстанавливало бы первоначальные данные. Такое устройство должно подключаться к большому числу входных контуров входного блока. Подобная схема представляет собой не что иное, как воспроизводство процесса передачи информации нейронами. Мы видели, что нейрон возбуждается только тогда, когда импульсы восприняты определенным числом синапсов. Отсюда кибернетики сделали вывод, что для устранения любой возможности ошибки необходимо использовать не менее трех ЭВМ, которые работали бы параллельно. Это походит на устройство, где устанавливается совпадение, по крайней мере, Двух из трех результатов расчета, а дальнейшие операции производятся на основании 148
совпавших результатов. Таким образом "большинством голосов" устанавливается, что именно следует считать верным для дальнейшей работы машины, и можно создавать машины, где вероятность ошибки очень мала. Некоторые выводы, сделанные на основе изучения процесса запоминания в человеческом мозгу, были перенесены на ЭВМ, призванные запоминать и использовать в дальнейшем определенную информацию. Информация, которая записывается на барабан, магнитную ленту или диск, непрерывно перемещается по замкнутой цепи. Цифра фиксируется счетчиком импульсов. Если нужно высчитать какое-либо число, в регистр вводят его адрес. Специальное устройство следит за совпадением числа в счетчике и в регистре адреса. Только когда это совпадение будет установлено, число пропускают через входные каналы. При регистрации указывается также адрес места, где должно быть зарегистрировано новое число, а старое число исключается из памяти машины ("забывается"). Подобный порядок циркуляции памяти в схеме с линией задержки имеет много общего с функционированием памяти у человека. "Если бы мы создали нейронную сеть из искусственных нейронов, она бы обеспечила исключительную память, что приблизило бы электронные машины к порогу совершенства", - писал в 1968 г. венгерский бионик Р. Тарьян. Новые ЭВМ начиная с третьего поколения используют так называемую аналоговую память мозга. Человек выбирает из своей памяти необходимую информацию в сочетании с образами реальных предметов. На аналогии с этим процессом основываются ассоциативные устройства запоминания. В этих устройствах поиск данных ведется не просто на основе адреса, а по индексу распознавания самой информации. Во многие типы усовершенствованных ЭВМ были введены ассоциативные устройства запоминания, в которых характеристики информации записываются на 149
карточки, магнитные ленты и т. д., чем достигается большее сходство с биологическим механизмом запоминания. Появились "умные машины", - перцентрон, астрой, нейристон, которые не довольствуются запоминанием программ, но и "учатся" понимать без помощи человека определенные необычные обстоятельства, в которые они поставлены, и действовать адекватным образом, то есть выбирать самое наилучшее решение в соответствии с этими обстоятельствами. Первоначально оператор обучает машину, чтобы она сама приходила к необходимым выводам. Этому способствует наличие обратной связи. От реагирующих устройств сигналы обратной связи направляются в запоминающие ячейки, вызвавшие их соединение. Эти сигналы увеличивают "силу" запоминающих ячеек, то есть служат своего рода "вознаграждением" той группы, которая привела в действие реагирующие устройства. В случае ошибки она подвергается "наказанию" в виде снижения эффективности ячеек. Для того чтобы машина приобрела определенное понимание окружающей среды, необходимы 10-20 попыток. Посредством дальнейшего приближения механизмов самообучения и самопрограммирования к модели нейронных сетей и их системе запоминания были созданы очень хитроумные кибернетические машины. Некоторые из них используются для воздушной и морской разведки, для автоматического управления космическими кораблями, для передачи на Землю аппаратурой космических станций отобранных и проанализированных фотографий, для прогнозов погоды, другие предназначены для слежения за речью и печатания текста с голоса. Хотя человеческий мозг, высшая форма организации живой материи, еще не изучен полностью, он служит самой плодотворной и вызывающей волнение биологической 150
моделью, исходным пунктом современной научно- технической революции. Биологические решения проблемы повышения надежности Риск, связанный с ненадежностью В словаре "Ларусс" надёжность определяется следующим образом: "вероятность работы без поломок какого-либо устройства в определенных условиях в течение определенного периода времени". Понятие надежности тесно связано с научно-технической революцией, которая предоставила в наше распоряжение, особенно в течение последних двух-трех десятилетий, бесконечное количество сложных и тонких механизмов. Сохраняется и, вероятно, еще будет сохраняться значительный разрыв между скоростью развития технического прогресса и повышением коэффициента надежности. Автоматические приборы, используемые для связи, управления, контроля, регулировки имеют огромное количество элементов, каждый из которых в любой момент может выйти из строя. Игорь Губерман писал в 1970 г., что в течение двух лет ракета "Атлас" не могла взлететь из-за неисправности ее некоторых составных элементов. Полет американского космонавта Гленна откладывался около десяти раз. Передатчик первого советского зонда, направленного в сторону Венеры, вышел из строя через несколько недель полета, намного раньше прибытия в район планеты установилась тишина. Разве мы не должны испытывать разочарование, видя, как усилия сотен техников рассеиваются в прах? Но из-за все еще низкой надежности могут возникнуть поистине трагические ситуации для человечества. Представим себе, что возникла неисправность в атомном реакторе, что у контейнера с радиоактивными отходами, 151
сброшенного в "резервацию" на дне океана, в результате давления воды случайно вышел из строя обеспечивающий его герметичность механизм, что, наконец, самолеты, патрулирующие днем и ночью вдоль границ с атомными бомбами на борту, получили бы, в результате неисправности в электронной системе определения целей, приказ сбросить свой груз? Какие экологические катастрофы и какой ужасный геноцид могли бы иметь место? Вот почему для обеспечения как можно высокой степени надежности роботы постоянно и тщательно контролируют поведение атомных реакторов, а оснащение ракет или самолетов с атомными зарядами сверхтщательно проверяется и пересматривается. Один американский техник утверждал, что если бы сегодняшние телевизоры работали бы столь же надежно, как орбитальная станция, ремонтные службы можно бы окончательно ликвидировать. Но теория вероятностей заставляет нас быть исключительно осторожными. Надежность, равная 0,99 (идеальная надежность на современной стадии развития техники), означает, что соответствующий элемент работает надежно в 99 случаях из 100. Но если механизм имеет 100 элементов, каждый из которых необходим для его работы в целом, расчет вероятностей показывает, что в случае совместного использования коэффициенты надежности каждого элемента в отдельности должны быть перемножены. Полученный результат с полным основанием вызывает озабоченность: наш автомат будет работать надежно только в 37 случаях из 100. Что уж говорить о намного более сложных инструментах, состоящих из десятков тысяч и даже сотен тысяч элементов, каждый со своим коэффициентом надежности? Американские конструкторы высчитали, что одна твердая частица размером с пылинку может отклонить самую совершенную баллистическую ракету от установленной траектории на 3-4 152
км. В таких случаях, как говорил известный английский физик, конструктор должен защищать сверхчувствительные приборы так же, как поступила природа, когда поместила мозг и его фантастический нейронный коммутатор в каркас черепной коробки, а ее основной проводник - спинной мозг - в костную броню позвоночника. Перед лицом столь суровой действительности, перед которой ставит технику теория вероятностей, единственным путем остается обеспечение максимальной надежности, следовательно самого высокого коэффициента безопасности работы. Но каким образом? Бионика вмешивается Бионики показали, что компьютеры дают самые надежные результаты, когда они построены в форме двух автоматических частей. Электронный контролер, получающий и сопоставляющий два решения, апробирует расчет лишь тогда, когда результаты идентичны. Если появляется различие, подается тревога. Такая система позволяет устранить возможную ошибку и обеспечивает почти стопроцентную безопасность. Известно, что французский ученый Луи Пастер в возрасте 40 лет перенес серьезное нарушение работы мозга, и половина его тела оставалась до конца жизни парализованной. Это не помешало великому ученому продолжать свои работы, и внимательное изучение его биографии показывает, что самые крупные открытия он сделал после приступа гемиплегии. Вскрытие после смерти (Пастер умер в возрасте 73 лет) показало, что половина его мозга была полностью парализованной. Он жил, Двигался и работал с одним лишь здоровым полушарием, которое взяло на себя функции второго парализованного полушария. Этот случай вдохновил биоников. 153
Такой пример наряду с другими способствовал революционному повороту в технике. До недавнего времени, если какой-либо аппарат выходил из строя, заменяли дефектную деталь или брали другой запасной аппарат. Если выходила из строя деталь компьютера, заменяли весь блок. Также поступали с телевизорами на интегральных схемах. В настоящее время работают над созданием аппаратов, в которых детали располагались бы параллельно. Стремятся также к тому, чтобы хотя бы часть деталей могла выполнять несколько функций с тем, чтобы когда одно "полушарие" аппарата выйдет из строя, его заменило бы другое, когда одна деталь выйдет из строя, ее функцию взяла бы на себя другая многофункциональная деталь. Мы еще далеки от идеальной модели - мозга, но питаем надежду, что в течение менее одного столетия техническая модель сравняется с природной и что ее доведенная до совершенства сложная структура поможет, что в такой же степени важно, лучшему пониманию физиологии мозга, который, хотя и послужил образцом для столь удачной модели, сам, как это ни парадоксально, остается неизвестной величиной. Электронный "нос" и передатчик запахов Теория обоняния до сих пор не выяснена, и поэтому человек, сумевший создать устройства для замены зрения и слуха, не сумел материализовать свое желание создать органы, испускающие и воспринимающие запахи. Известно, что из-за несовершенства органа обоняния человек во многих случаях пользуется животными, обладающими замечательной остротой восприятия запахов. Свиньи используются для обнаружения трюфелей, деликатесных грибов, растущих в рыхлой почве лесов Южной Европы и издающих тонкий аромат, не воспринимаемый нашими ноздрями. Собак используют не 154
только как ценных помощников для обнаружения дичи по запаху, но и дрессируют для обнаружения утечки природного газа через повреждения газопроводов. Крысы являются настоящими "счетчиками" для определения степени химического загрязнения шахт или предприятий некоторыми химическими, взрывчатыми или токсичными веществами. В настоящее время мы довольно мало знаем о механизме запаха. В этой области физиологии противоборствуют две теории: химическая и стереохимическая, причем каждая из них приводит убедительные аргументы и каждая имеет столь же важные ограничения. Сторонники химической теории утверждают, что запахи вызываются раздражением слизистой оболочки носа летучими веществами. Эти вещества будто бы вызывают в слизистой оболочке цепь очень быстрых химических реакций ускоряемых наличием энзимов и передаваемых далее в анализатор мозга. Против этой гипотезы приводилось достаточно доказательств. Стереохимическая теория, сформулированная более двух тысячелетий назад великим римским поэтом и философом Лукрецием в его работе "De rerum naturae" и осовремененная в наше время, считает, что в верхней части носа имеются мельчайшие поры различной формы и размеров и идентификация запаха будто бы обуславливается большим или меньшим совпадением формы молекулы пахнущего вещества и молекулы отверстий в тканях, воспринимающих запахи. Некоторые опыты, проведенные в последние три десятилетия, показали, что пахнущие вещества принимают форму отверстий, которые пронизывают эту ткань, наподобие того, как совпадает форма вилки и розетки. Было бы иллюзией думать, что имеются рецепторы для бесконечного количества запахов, с которыми мы встречаемся ежедневно. Тщательные исследования 155
показали, что имеются, в общем, семь основных запахов, комбинации которых будто бы порождают всевозможные вариации. Этими основными запахами являются: ароматический, каприловый, цветочный, бальзамический, эфирный, противный, тошнотворный. И все же стереохимическая теория, сколь бы соблазнительна она ни была, также уязвима. Запах переносится на расстояние молекулами. Следовательно, необходимо, чтобы пахнущее вещество было летучим (бензин, духи, эфир). Но что происходит с некоторыми нелетучими, телами (глина, смола, асфальт), которые испускают характерные вещества, распространяющиеся не корпускулярно, следовательно, не с помощью молекул? Физики предложили третью теорию запахов: волновую. Согласно этой теории колебания молекул будто бы порождают полосу электромагнитных волн, которые нос воспринимает в инфракрасном спектре на длине волны 8-14 микрон. И эта теория оказалась хрупкой. Если слизистую оболочку носа человека покрыть пленкой из пластического материала, проницаемого для инфракрасных лучей, тот больше не воспринимает никакого запаха. Также не была доказана способность инфракрасного излучения передавать запахи. Поэтому еще не стало возможным приступить к изготовлению электронных "носов" и передатчиков запахов. На каком принципе их следует создавать? Что они должны испускать? Как должен выглядеть рецептор? На какие длины волн должен быть настроен электронный нос, чтобы быть таким же чувствительным и сильным, как акустический зонд, телескопы или радары? Вот почему все исследования в этой области ввиду отсутствия технических результатов приобрели, так сказать, отвлеченный характер и преследуют скорее эстетические цели. Говорят о pit-art, об искусстве обоняния, которым в 156
капиталистическом мире занимаются издатели, кинематографисты, композиторы. Предусматривается выпуск книг, которые издавали бы запах в зависимости от содержания повествования: Для вестернов - запах кожи, лошадей и земли; для любовных романов - запах духов, вина и табака; для полицейских романов - кисловатый запах пороха. Предусматривается производство фильмов, где изображение должно полностью соответствовать определенным запахам, которые наряду с музыкой способствовали бы показу "атмосферы". Композиторы намереваются писать "издающие запахи" симфонии. Этот чувственный синкретизм искусств, обращающихся к зрению, слуху, представляет собой часто приятный, но бесплодный эксперимент. Намного более полезной для науки и общества по сравнению с производством запахов является их точная идентификация и тренировка обоняния. Идентификация запахов посредством тренировки обоняния необходима в химической промышленности для выявления вредных веществ, но особенно в медицине, где все более настойчиво говорят об ольфактодиагностике. Речь идет о диагностике определенных болезней по характерному запаху, распространяемому больными. По меньшей мере 40 болезней, в том числе: грипп, шизофрения, диабет, гангрена, туберкулез легких могут быть моментально определены с помощью патологической эманации. В США работают над электронным диагностископом на основе запахов, который в карточку больного вписывает и соответствующий симптом, анализирует его и включает в диагноз. На химических заводах запахоулавливатель, электронный "нос" станет необходимым прибором, поскольку химические реакции сопровождаются специфическим запахом. Таким образом персонал этих заводов может на 157
расстоянии следить за ходом производства, избегая профессиональных заболеваний, которые, несмотря на все меры по охране труда, Довольно часто встречаются в некоторых отраслях химической промышленности. В последние двадцать лет этологи выявили существование химического языка, осуществляемого с помощью феромонов некоторыми видами позвоночных и беспозвоночных. Синтез и использование специфичных феромонов, особенно феромонов тревоги, помогут людям изгнать из их очагов и рассеять некоторых опасных насекомых и грызунов или изменить маршрут их миграций. Внимание снова обращено на мозг Природа, предусмотрительный и опытный конструктор, сумела обеспечить надежность работы мозга. Она предусмотрела возможность неисправности какой-либо детали. Если у телевизора сгорела одна из ламп или предохранитель, весь аппарат выходит из строя. С мозгом такого не бывает. Человек получает сильный удар в голову ведущий к повреждению центра зрения в затылочной глазной доле. Нормально в результате подобного повреждения должна наступить слепота. Со времени Поля Брока топография мозга известна, и каждая функция довольно точно локализована в коре головного мозга. И все же через некоторое время у человека зрение восстанавливается хотя бы частично. Нервные клетки, разбросанные по другим участкам, принимают на себя функции поврежденного центра. Таким образом мобилизация запасных частей, наличие которых не предполагалось, сохраняет функцию зрения. Однако запасные нейроны не смогли бы выполнить свою роль, если в момент получения команды не пришла бы в движение вся фантастическая система управления целой иерархии нервных центров. Мозг - верховный главнокомандующий - координирует работу всей системы. Проблемы, касающиеся 158
каждого подразделения, должны решаться на соответствующем уровне. Простые и текущие проблемы разрешаются на месте; ответы на более сложные вопросы поступают из головного и спинного мозга. Эта трехступенчатая (а иногда включающая и больше ступеней) регламентация обеспечивает абсолютную надежность. Не случайно мозг состоит из двух полушарий. Каждое из них имеет свой собственный центр зрения, слуха и центры других физиологических функций. Что касается нейронов, они действуют лишь в том случае, если принимают несколько идентичных сигналов от нескольких соседей. После их подтверждения нейрон передает приказ по цепочке. Чувства и их техническая модель Эмоции и чувства играют огромную роль в жизни человека и даже коллектива. Самые сильные из них ведут к экстремальным типам поведения. Так, в некоторых случаях мы полностью заторможены, и тогда нас словно пригвоздили к месту или мы теряем дар речи; в других случаях вследствие сильного возбуждения наш голос становится сильнее, ум - более быстрым и наши достижения превышают обычные. В одной из швейцарских газет в 1979 г. был описан случай, когда один из альпинистов заблудился на леднике и мог присоединиться к своим товарищам только перепрыгну в трещину глубиной 300 м и шириной 4 м. В нормальных условиях сделать это нетрудно. Прыжок длиной 4 м доступен человеку спортивного склада в возрасте 35 лет даже если он не является специалистом в этом виде спорта. Но в условиях горной вершины, скользких ледяных стен и обманчивых, заполненных снегом впадин подобное достижение приобретает характер героического поступка. Все же благодаря максимальному напряжению всего существа и максимальной концентрации всех сил, 159
вызванных сильным эмоциональным состоянием, альпинист сумел совершить этот прыжок над пропастью. На Олимпиаде в Мексике в 1968 г. американский атлет Бимон прыгнул в длину на невероятное расстояние 8,90 м. Его Достижение можно лучше оценить, если учесть, что мировой рекорд по прыжкам в длину в течение 40 лет возрос на 40 см (то есть в среднем на один сантиметр в год) и вдруг сразу еще на 50 см в момент впечатляющего прыжка атлета. Интересно, что в последние годы Бимон побеждал и на других соревнованиях, но его результаты были значительно ниже по сравнению с его сенсационным рекордом в Мексике. Когда журналисты спросили его, как ему удалось установить такой фантастический рекорд, Бимон просто ответил, что вложил всего себя в этот прыжок, что у него было такое чувство, будто он летит по воздуху. Из-за опасения удариться об ограничивающий яму с песком барьер, у него был момент некоторой нерешительности, что, как он считает, сократило по крайней мере на 10 см длину его прыжка. Чувства и их техническая модель 160
Мы абсолютно случайно выбрали эти примеры из области спортивных достижений. Известны, однако, бесчисленные примеры, когда любовь, ненависть, страх или гнев поразительно умножают силу человека. Весь организм переживает состояние полнейшей мобилизации. Внимание концентрируется до максимума; зрение, слух, все органы чувств обостряются до предела; мышцы готовы действовать по первому сигналу, кровь обильно снабжается необходимыми веществами: сахаром для питания мышц, адреналином, чтобы стимулировать их силу. Интересно, однако, что в последние годы эмоциональные состояния занимали не только писателей, психологов и педагогов, но и биокибернетиков. Их интерес к миру эмоций, кажется, был порожден единодушным обвинением в адрес роботов, будто бы у них... очень много мозгов и полностью отсутствует... душа, поскольку вся их программа решений лишена нюансов, которые возникают при столкновении чувств и разума. Этим объясняется почти полный провал преподавателя-робота, который в 1970 г. был в очень большой моде, угрожая самому существованию профессии преподавателя. Исходя из принципа, что машина, лишенная возможности эмоционально трактовать информацию, остается всего лишь машиной, системой, полностью чуждой человеческой природе и мышлению, кибернетики включили в планы своих исследований также и создание моделей, которые охватывали бы и мир психики. Впрочем, когда героиню одной из пьес Чапека спросили, почему роботов снабдили чувством боли, она ответила, что боль позволяет роботам автоматически защищаться от повреждений. Первый "эмоциональный" робот был создан в США и назван "Олдос". Его программа включает цифры, обозначающие определенную гамму эмоций. Каждая сообщенная компьютеру комбинация цифр вызывает в электронном сердце Олдоса различные чувства: радость, 161
гнев или страх. Указанные три вида реакций изменяются по десятичной шкале. Самые неприятные ситуации (симулированные комбинациями цифр) вызывают у Олдоса сильный страх, внешне выражающийся в бегстве. В других случаях разгневанный робот переходит в наступление или ликует от удовольствия. Все сообщается оператору в виде зашифрованного ответа. Поднимая или снижая по желанию уровень эмоциональности, при котором работ начинает сердиться или убегать, можно воссоздать нечто наподобие индивидуального темперамента. По этому прототипу был создан ряд вариантов, обладающих различными характерными чертами или темпераментами и выражающих равнодушие, нерешительность, грубость, меланхолию, веселость. Советские ученые из Киевского института кибернетики создали младшего брата Олдоса, названного "Эмик", в память которого заложены 300 слов, рассматриваемых как нижний предел для формулирования биографии и конфликтных состояний, которые могут вызвать эмоциональные реакции. Проводилась большая работа с лингвистами для определения таких ключевых слов, которые имеют эмоциональную значимость. Наконец, ЭВМ была предусмотрена с ассоциативными цепями. После 1971 г. в США была создана группа чувствующих и думающих роботов, названных Walter Mitty (Уолтер Митти). Их программа включает совместную беседу, в которой важное значение имеет различный для каждого из них показатель темперамента, что достигается с помощью компьютера, обладающего личным уровнем эмоциональной реакции. Запрограмированы также общие правила ведения беседы и обмена мнениями. Самые умные Митти, обладающие более широкими знаниями, будут располагать большим временем для высказывания. Другие слушают и перерабатывают полученную информацию, подготавливая одновременно свою реплику. Прежде чем вступить в 162
разговор, робот удостоверяется, что его собеседник не разговаривает. Если уровень агрессивности становится нетерпимым, нетерпеливый Митти перебивает "грубияна". Наконец, если случается, что двое роботов говорят одновременно, предпочтение отдается начавшему разговор. Каскад обработки информации оценивает правильность и приемлемость мнений собеседника путем сопоставления со своей собственной основной программой. Подобные опыты, находящиеся в начальной стадии (первая беседа между пятью роботами состоялась в 1980 г. в Балтиморе, США), важны, хотя они и далеки от того, чтобы кибернетически представить сложность психических явлений (Олдос соответствует уровню шимпанзе или ребенка 3 лет, Эмик и Митти - уровню ребенка 6 лет). С помощью этих роботов проверяются классические модели психологии и не исключено, что решения, выдаваемые компьютерами, послужат улучшению процесса воспитания и обучения путем управления эмоциональной жизнью и лучшей согласованности эмоционального и рационального уровней существования. Нам неизвестно, в какой степени ученые будут довольны отдачей роботов типа Олдос, Эмик или Митти, но мы убеждены, что у старого Пифагора были бы веские основания радоваться, если бы он узнал, что психику изучают с помощью цифр. Автор знаменитой "таблицы", приписывал цифрам магическую силу. "Почитайте науку чисел, - говорил он, - потому что все пороки и преступления означают лишь ошибки в расчетах". И подобные роботы, которые хотят сделать нас лучшими, более спокойными, лучше воспитанными с помощью кибернетических моделей, дали бы ему оправданный повод гордиться. 163
Выборочная библиография Balaceanu, С., Nicolau, Ed.: Les Fondements cybemetiques de 1'activite nerveuse, Paris, 1971; Balaceanu, C., Nicolau, Ed.: Personalitatea umana, о interpretare cibemetica, Junimea, Iasi, 1972; Devaux, P.: Automatisme et automatique, Paris, 1941; Droscher, В. V.: Magie. der Sinne im Tierreich, Miinchen, 1966; Энциклопедия кибернетики, Киев, 1975; Frolov, T. I.: Progresul stiintei si viitorul omenirii, Ed. politica, Bucuresti, 1977; Guberman, IGOR: Bionica (In lb. romana), Ed. enciclopedica romana, Bucuresti, 1973; Jacker, Corinne: The Biological Revolution, New York, 1971; Коган, Б. А.: Биологическая кибернетика, Москва, 1972; Marshal, В. N.: Tiefseebiologie, Jena, 1957; Mihail, N. N., RUSU, M. A.: Ce este biocibemetica?, Ed. stiintific" si enciclopedica, Bucuresti, 1977; Nicolau, Ed.: Robotii si viaja, Ed. Tineretului, Bucuresti, 1960; Nicolau, Ed.: Omul informational, Ed. Junimea, Iasi, 1971; Nicolau, Ed.: Analogic. Modelare. Simulare cibemetica, Ed. stiintifica si enciclopedica, Bucuresti, 1977; Nicolau, Ed.: Om masina cibemetica, Ed. politica, Bucuresti, 1978; Nicolau, Ed., Balaceanu, C: Elemente de neur о cibemetica, Ed. stiintifica si enciclopedica, Bucuresti, 1976; NICOLAU, Ed., Balaceanu, C 5 Cibemetica, Ed. stiintifica, Bucuresti, 1961; 164
Opris, T.: Tehnica foloseste brevetele naturii, Ed. "I. Creanga", Bucuresti, 1975; Rose, J.: The Cybernetic Revolution, London, 1974; Ross-Ashby, W.: An Introduction to Cybernetics, London 1970; Sahleanu, V.: Omul ca sistem, Bucuresti, 1972; Slagle, R. J.: Artificial Intelligence: the Heuristic Programming, Aproach, New York, 1971; Wiener, Norbert: Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine, Paris, 1948.