Биологические науки /11.Биоинженерия и биоинформатика

Проф. Аужанова Н.Б., к.б.н. Оксикбаев Б.К.

ЖГУ им. И.Жансугурова, Казахстан

Использование некоторых примеров бионики в процессе обучения биологии

Мастерская природы - нерукотворный источник всего живого на нашей планете. Природа – гениальный конструктор, инженер, художник, и великий строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надёжностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций, С давних пор человек стремился заглянуть «внутрь живых моделей», разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы [6].

Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины нашего столетия, развитие биологии и вторжение и неё точных наук, как физика, химия, математика и особенно кибернетика, перебросившая мост от биологии к технике, - всё это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название бионики (от слова «бион» - элемент, ячейка жизни) [1, 3].

Бионика занимается изучением аналогий в живой и не живой природе, то есть изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций и т.д.

С незапамятных времён пытливая мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достичь живая природа. Сможет ли он научиться, например, летать по воздуху, как птицы, или плавать под водой, как рыбы. Если природа это сделала, значит, в принципе это возможно, и надо только найти ключ к решению задачи, чтобы научиться делать то, что мы видим в природе. Уже ранние изобретатели-самоучки предпринимали попытки овладеть секретами природы, технически освоить то, что она осуществило сама. Именно тогда, на заре человечества, пустила свои корни бионика – наука, объединяющая биологию и технику.

Самым невероятным на тот момент для человека казалось покорение воздуха. Одним из первых эту проблему начал решать Леонардо да Винчи, не только великий художник, но и выдающийся техник-изобретатель своей эпохи.

Леонардо да Винчи придумал устройство, при помощи которого человек, по мнению ученого, мог бы взлететь. Он уже тогда предусматривал систему пружин и блоков, усиливающих работу крыльев искусственного планера. Рассмотрим как устроен полет у птиц. Во время подъема крыла каждое из перьев из-за сопротивления воздуха принимает вертикальное положение. На стадии опускания перья по той же причине в силу своего строения переходят в горизонтальное положение. В результате создается импульс и птица взлетает.

Знание устройства крыльев птиц и насекомых дает огромные перспективы для построения так называемых махолетов, орнитоптеров и прочих подобных механизмов. В последнем примере нужно рассмотреть систему соединения перьев в крыле птицы. Контурное перо имеет узкий твердый ствол и широкие, мягкие опахала по его сторонам. Они образуются густой сетью отходящих от ствола очень тонких роговых бородок. Бородки 1-го порядка прикреплены к стволу параллельно друг другу. От каждой такой бородки с 2-х ее сторон отходят ещё более тонкие бородки 2-го порядка, налегающие на соседние и цепляющиеся за них микроскопическими крючками. Это принцип воем известной застежки – «молнии».

Большим вниманием ученых биоников и специалистов, занимающихся разработкой локационных систем привлекли дельфины. Как выяснилось, дельфины совершенно спокойно ориентируются в мутной воде, где видимость не превышает 50 см. Было также обнаружено, что дельфины свободно находят куски рыбы, помещенные в водоем бесшумно в самые темные ночи, а также на большой скорости обходят установленные в бассейне препятствия. Как показали опыты, подводные преграды не являются для дельфинов помехой в эхолокации. В бассейне, наполненном мутной водой, устраивался лабиринт из полых металлических стержней, свободно подвешенных с помощью проволок, прикрепленных к тросам. Между ними безостановочно плавали дельфины. При малейшем прикосновении животного к стержню, эти легкие металлические препятствия тот час же издавали звон, как у колокола. В первом опыте, длившемся 20 минут, когда 2 дельфина пробирались сквозь преграду из стержней, звон раздался всего 4 раза. Во втором эксперименте дельфины ошибались трижды. В последующих опытах - ни разу. По-видимому, дельфины свыклись с наличием в бассейне необычных препятствий. Плавая в лабиринте из стержней, они непрерывно издавали свои звуковые сигналы. И вот, что еще заметили экспериментаторы: в ряде опытов две афалины, непрерывно лоцируя, плыли сквозь лабиринт значительно быстрее, чем обычно в бассейне [8].

Таким образом, на основании множества самых разнообразных опытов, ученые пришли к общему выводу – эхолокация у дельфинов является основным способом ориентации в различных жизненных ситуациях: при добывании пищи, преодолении препятствий, распознавании различных объектов в водной среде. Локатор дельфина работает в таком же режиме, что и локатор летучей мыши. В спокойном состоянии животное постоянно испускает звуковые импульсы через каждые 15-20 секунд, которые служат для общей ориентировки. Для определения глубины воды, близости берега и льдов, предотвращения столкновений с кораблями дельфины обычно используют продолжительные (длительностью 1-5 сек) импульсы с меняющейся частотой (от 7 до 20 Кгц). Когда внимание животного привлекает брошенный в воду предмет, число импульсов резко возрастает (от 5 до 100 и более за 1 сек) - дельфин подробно изучает изменившуюся обстановку с помощью своего звуколокатора.

Принцип работы ушей дельфина и летучей мыши напоминают векторный принцип параболы. Если угол падения вектора на параболу с внутренней стороны всегда равен углу отражения, он однозначно попадет в вершину последней. У животных, в свою очередь, на вершине параболы - уха располагаются слуховые рецепторы. Таким образом, не один звук не выходит за границу слуховых аппаратов зверей [5].

Еще больше, чем эхолокация, биоников привлекает еще одна особенность дельфина - способность развивать высокую скорость. Как выяснилось, причина, по которой дельфин так себя ведет, кроется в строении его кожи. Микроскопическое исследование кожи показало, что она состоит из двух слоев: внешнего, толщиной 1,5 мм, чрезвычайно эластичного, и внутреннего, толщиной около 4 мм, состоящего из плотных тканей, Внутренняя часть внешнего слоя пронизана огромным количеством ходов и трубочек, заполненных мягким губчатым веществом.

Именно благодаря такой структуре весь наружный покров дельфина действует как диафрагма, чувствительная к изменениям внешнего давления и гасящая возникающие водяные струи путем передачи давления каналам, заполненным амортизирующим веществом.

Первая экспериментальная мягкая оболочка - искусственная дельфинья кожа, получившая название «ламинфо», была изготовлена из двух, а затем из трех слоев резины, общей толщиной 2,5 мм. Гладкий наружный слой (толщиной 0,5 мм) имитировал эпидермис дельфина; средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (толщиной 1,5мм) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями; нижний (0,5 мм) сыграл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между стерженьками, она играла роль демпферогасителя вихрей слоя воды, ближайшем к корпусу модели.

Искусственную дельфинью кожу испытывали на 3-х моделях, покрытых разными образцами «ламинфо», различавшимися по структуре. Для сравнения, в качестве эталона использовали 4-ю модель без покрытия. Модели буксировал мощный катер, специальные приборы измеряли сопротивление каждой модели, их показания передавали по радио на катер. Предположения подтвердились: сопротивление воды для всех трех моделей, покрытых искусственной кожей, было гораздо меньше, чем у модели без покрытия. У небольшой торпеды «укутанной» в мягкую резиновую оболочку, сопротивление трению о воду снизилось почти наполовину. При испытании небольшого катера было обнаружено, что обшивка «ламинфо» дает наибольший эффект при скорости судна около 40-50 км/час, т.е. близкой к предполагаемой максимальной скорости передвижения дельфина.

Да, проблема увеличения скорости судов давно волновала биоников. Борьба за повышение скорости судов - это, прежде всего борьба с волновым сопротивлением. Волновое сопротивление является следствием того, что корабли передвигаются на границе раздела двух сред - воды и воздуха. Буруны образуются впереди любого плывущего судна, будь то крейсер или портовый буксир. И чем быстрее идет корабль, тем более сильный бурун возникает перед ним. Зрелище разрезаемой форштевнем волны, безусловно, захватывающее, величественное, оно дает яркое представление о той колоссальной силе, которая заключена в теле корабля. Но для инженера бурун - не повод для восторга, а враг номер один, препятствующий движению корабля. При больших скоростях на волнообразование уходит до 1/3 мощностей главных двигателей, а то и больше.

Чтобы укротить бурун, инженеры пытаются усовершенствовать форму корпуса, водоизмещение судов. Так, на довоенном французском лайнере «Нормандия» впервые появилось бульбообразное вздутие в нижней части форштевня. Результаты не замедлили сказаться: волны при движении судна были гораздо меньше, чем у близкого ему по размерам и скорости движения английского лайнера «Куин Мери». Постепенно размеры бульбы росли, и у современных судов она иногда простирается за пределы контура подводного борта и форштевня. Бульбообразный нос при скорости судна в 16-25 узлов (~ 38 км/час) позволяет повысить последнюю на 5-6%. Еще большего эффекта удалось достигнуть японскому профессору Такао Инуи, подошедшего к решению проблемы волнового сопротивления с позиции бионики. Создав несколько моделей судов с необычной носовой частью, напоминающей грушеобразную голову кита, он доказал, что такие корабли будут быстрее передвигаться, чем те, у которых форштевень имеет ножевидную форму. Действительно, испытания построенного по чертежам профессора Инуи океанского лайнера «Куренаи Мару» показали, что по сравнению с обычными судами китообразный корабль при равной мощности двигателей позволяет увеличить скорость на 15% [2].

Известно, что к криптографии (от греческого – тайнопись) прибегал Юлий Цезарь в своём дневнике о войне в Галлии. Он сам изобрёл шифр довольно немудрёный с нашей точки зрения и сдвинул алфавит на 3 буквы вверх так, что букве «а» латинского алфавита соответствовала буква «д» латинского алфавита, букве «б» – буква «с» и т.д.

Дешифровка записей Цезаря очень проста. Тоже можно сказать о шифре другого императора Карла Великого. Тот пользовался выдуманным алфавитом с совсем иным, чем общеупотребимым начертанием букв. Криптография была продуктом выдумки и опыта авторов секретной информации. Хотя вряд ли кто-то из криптографов знал о более совершенном коде, шифрующем развитие всего живого - коде ДНК. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте), из информационной РНК заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК определяет порядок аминокислот в белках. Этот код называется генетическим и его расшифровка – одно из великих достижений науки: Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает и-РНК – копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на « языке» РНК [4, 7]. Процесс образования и-РНК по нити ДНК называют транскрипцией.

Если в нити ДНК стоит тимин, то специальный фермент полимераза включает в цепь и-РНК аденин. Если в ДНК стоит гуанин – то урацил (в состав РНК не входит тимин). Генетический код триплетен. В состав РНК входят 4 пары нуклеотидов: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно было бы зашифровать 4 аминокислоты, тогда как их 20, (в организме человека) и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4-х нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида). В природе же существует трехбуквенный или триплетный код. Это означает, что каждая из аминокислот кодируется последовательностью 3-х нуклеотидов. Из 4-х нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой. Этого с избытком хватает для кодирования 20-ти аминокислот. И, казалось бы, 44 триплета являются лишними. Однако это не так. Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6).

ДНК код составлен по математическому закону ограниченной четвертичной системе счисления. Этого вполне достаточно, чтобы зашифровать все генетические признаки любого существа.

Благодаря гигантскому труду ученых мира бионика значительно продвинулась вперед. Казахстанским ученым осталось влиться в общий поток исследований, предложить свои идеи и плодотворно работать на этой стезе.

Литература:

1. Вакула В. Биотехнология – что это такое? – М.: Мол.гвардия, 1989.

2. Гиляров М.С., Винберг Г.Г., Заварзин Г.А. и др. Биологический
энциклопедический словарь. – М.: Сов. энциклопедия, 1989.

3. Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки. /Перевод с англ. - М.: Мир, 1987.

4. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986.

5. Литинецкий И.Б. Бионика. - М.: Просвещение, 1976.

6. Остроумов Г. Тайнопись: от пирамид до компьютеров. - Наука и жизнь, 1996.

7. Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. – М.: Мир, 1982.

8. Klaus Wunderlich / Wolfgang Gloede «Nature as Constructor», 1989.