Текст книги "Чего не знает современная наука"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 38 страниц)

Бионика: природа знает лучше

В природе есть много причин, которых человечество не имеет в своем опыте.

Леонардо да Винчи

Природа и люди строят по одним и тем же законам, соблюдая принцип экономии материала и подбирая для создаваемых систем оптимальные конструктивные решения (перераспределение нагрузки, устойчивость, экономию материала, энергии).

Науку, занимающуюся изучением строения и функционирования живых организмов, чтобы использовать это для решения инженерных задач, создания новых приборов и механизмов, называют бионикой (от греческого bios «жизнь»). Этот термин впервые прозвучал 13 сентября 1960 года в Дайтоне на американском национальном симпозиуме «Живые прототипы – ключ к новой технике» и обозначил новое научное направление, возникшее на стыке биологии и инженерного искусства. Праотцом бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов основаны на строении крыла птицы.

Длительное время бионика развивалась скачкообразно. Сначала инженеры и конструкторы находили удачное решение какой-либо задачи, а через некоторое время обнаруживалось, что у живых организмов существуют аналогичные конструктивные решения и, как правило, оптимальные.

Сегодня бионика имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики – полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб – одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей – кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.

В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение XX века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 года начали исследования «динамических структур», а в 1991 году организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами – перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов – разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты – аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:

1. Гибкое восприятие внешней информации независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).

2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.

3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м³, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм³.

4. Экономичность потребления энергии – разница просто очевидна.

5. Высокая степень самоорганизации – быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Изучение механизмов памяти ведет к созданию «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные–«биосиноптики» от природы наделены уникальными сверхчувствительными «приборами». Задача бионики – не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,001 °C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м³ (=1 мкг/л).

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,1 °C. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра– и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана – на инфракрасный и т. д.

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации – дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя – по запаху (химизм прибрежных вод).

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов.

А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается «за кадром».

Елена Ажнина

Кальций – каркас здоровья

С чем у нас ассоциируется кальций? С устойчивостью, прочностью, защищенностью. Как сохранить устойчивость в вечно меняющемся мире? Что предпринять, чтобы во всех смыслах прочно стоять на ногах? Разобраться во всем этом нам поможет кальций.

Кальций – каркас нашего здоровья; чем прочнее этот каркас, тем устойчивее наше внутреннее состояние.

Стабильность (устойчивость) – способность системы, выведенной из состояния равновесия, самостоятельно возвращаться в это состояние. Устойчивость структуры и/или функций (физических или психических) живых систем – признак нормы (здоровья). Неустойчивость – признак экстремального состояния или болезни.

Что является воплощением устойчивости, прочности, надежности? Горные породы и минералы, образующие земную твердь; стройматериалы (мрамор, кирпич, цемент, известь), образующие «твердь рукотворную», и, конечно, «живая твердь» – скелеты живых организмов. Все они содержат значительный процент кальция.

В нашем организме около одного килограмма кальция, 99 % которого образуют микрокристаллическую основу костей и зубов. Их разрушение служит самым наглядным признаком недостатка кальция. Если из кости удалить весь кальций, то ее можно будет легко завязать в узел. Кость останется гибкой, но выполнять опорную функцию уже не сможет. Так, у маленьких детей при недостатке кальция кости становятся мягкими и под действием нагрузки легко искривляются. Нехватка кальция в зрелом возрасте может обернуться катастрофой. Особенно если разрушается основа основ – позвоночник. Человек с поврежденным позвоночником не способен сохранять вертикальное положение, не может свободно и целенаправленно двигаться. А если при этом повреждается спинной мозг, то к полной обездвиженности добавляется еще и полная потеря чувствительности и контроля некоторых физиологических функций. Можно сказать, что потеря надежного костного каркаса разрушает стабильность и гармонию существования организма как целого.

Прочная основа необходима не только всему организму, но и каждой клетке в отдельности. У клетки есть свой внутренний каркас – цитоскелет. Он не обладает жесткостью кости, но не уступает ей в прочности и надежности. Цитоскелет одновременно поддерживает форму клетки и обеспечивает ее подвижность. Для формирования и «работы» цитоскелета тоже необходим кальций.

Кальций воистину есть символ прочности, стабильности, защищенности. Ибо в дополнение ко всему перечисленному он еще и помогает каждой клетке в отдельности и организму в целом противостоять великому множеству стрессовых факторов – токсических, аллергических, микробных, радиационных.

Является ли стабильность синонимом неизменности? Оглянемся вокруг: даже самые устойчивые, но неподвижные структуры (горные породы, архитектурные сооружения, мраморные статуи) со временем разрушаются. И будь наш скелет таким же «неподвижным», его бы тоже постигла подобная участь. Но кость – это живая ткань, которая постоянно самообновляется. Полное обновление происходит у детей за один-два года, у взрослых – за 10–12 лет (один вид клеток при этом полностью разрушает старую кость, другой строит новую). Локальные перестройки (ремоделирование) костной ткани случаются гораздо чаще – каждые три-четыре месяца. Для чего они необходимы? С одной стороны, для заполнения незначительных дефектов кости – последствий микротравм. С другой – для поддержания необходимого уровня кальция в крови. Кости служат «банком» кальция, который в случае экстренной необходимости может быть выделен в кровь и «взят в оборот». Позаимствованный кальций необходимо вернуть обратно в «банк». В противном случае разрушение кости начинает преобладать над ее восстановлением и нарушается прочность скелета. Если по тем или иным причинам недостаток кальция усугубляется, организм вынужденно жертвует прочностью, стабильностью своей части – скелета – во имя сохранения жизни целого.

Почему так важен уровень кальция в крови? Какие жизненно необходимые для организма функции он обеспечивает?

Кальций и движение

Элементарный кальций – металл. Химически он очень активен, поэтому в природе не находится в свободном состоянии.

В организме человека уровень кальция определяется не столько его содержанием в продуктах питания, сколько эффективностью его усвоения. Усвоение кальция – активный процесс. Специальный белок-носитель (который образуется при условии достаточного количества витамина D) поглощает кальций из просвета кишки и переносит его в клетки слизистой кишечника, откуда кальций уже попадает в кровь и распространяется по всему организму. Для обеспечения переноса кальция против градиента его концентрации необходима энергия.

Какие функции для организма самые важные? Дыхание? Сокращение сердца и циркуляция крови? Передача нервных импульсов? Обеспечение энергией? Очищение? Иммунная защита? Гормональная регуляция? Возобновление? Попробуйте лишить организм хотя бы одной – выживет ли он? Что их объединяет? Во-первых, цель: все они предназначены для поддержания жизни. Во-вторых, то, что все они суть движение как основа, условие и способ существования жизни. В-третьих, каждый процесс в отдельности и их согласование друг с другом невозможны без активного участия кальция. Того самого, свободного от «костных оков», который составляет всего 1 % от общего количества кальция в организме. Именно его уровень в крови так жизненно важен.

«Вклад» кальция в обеспечение движения можно рассмотреть на примере самого очевидного его вида – перемещения в пространстве. Его осуществляет согласованная работа мышц – чередование их сокращения и расслабления. Кальций тут как тут: увеличение его концентрации в мышечных волокнах запускает процесс их сокращения, а уменьшение позволяет мышце расслабиться. Дисбаланс кальция в организме нарушает этот ритм. В результате может возникать как чрезмерное напряжение мышц – судороги, так и полное их расслабление – паралич. А еще кальций помогает мышцам меньше утомляться и после больших нагрузок восстанавливаться быстрее и без боли.

Для того чтобы мышца начала сокращаться, «из центра» должен поступить сигнал – нервный импульс. Кальций обеспечивает бесперебойную передачу нервных импульсов от мозга к мышце и обратно, благодаря чему нам, например, удается вовремя отдернуть руку от горячей плиты и не обжечься.

Движение всегда совершается в определенном направлении и с определенной целью. Для того чтобы их увидеть, тоже необходим кальций – активный участник процессов зрительного восприятия.

Движение – это всегда усилие, требующее энергии. Энергия в организме выделяется при распаде питательных веществ. Для того чтобы этот распад происходил быстро, нужны ферменты. Для эффективной работы ферментов необходим кальций. В состав ферментов входят витамины и микроэлементы (например, железо). Процесс их усвоения тоже требует достаточного количества кальция.

Любое движение (дыхание, сокращение сердца, деление клетки и т. д.) имеет свой ритм. Умение его поддерживать для организма жизненно важно. Как? Человек настраивает ритм своей жизни по часам. У каждой клетки тоже есть свои часы. Вопрос в том, как они работают. Есть предположение, что главную роль во внутриклеточном механизме отсчета времени играет кальций. Кальций, который поддерживает существование организма как целого, обеспечивая многообразие его движений-ритмов и их сонастройку.

Движение – каркас здоровья

Покоя нет. Все движется, вращаясь…

Джордано Бруно

Как уберечь кости от разрушения, как сохранить в них кальций? Решение этой проблемы ускорил опыт первых космических полетов. Космонавты, проводившие в условиях невесомости всего несколько дней, по возвращении на Землю не могли самостоятельно выйти из кабины. Причина – потеря кальция. Как это предотвратить? Увеличить поступление кальция в организм. Но многочисленные кальциевые добавки в виде глюконата кальция, творога, яичной скорлупы и т. д. проблему не решили. Стали искать дальше. И открыли невероятное: в условиях невесомости скелет теряет кальций, а вместе с ним и прочность из-за отсутствия нагрузки! Эксперименты подтвердили открытие: нагрузки (действие силы тяжести) – необходимое условие отложения кальция и формирования оптимальной структуры кости, способной эти нагрузки выдерживать. Значит, в дополнение к препаратам кальция космонавтам нужен комплекс упражнений, имитирующий земные нагрузки! В первую очередь это должны быть упражнения, тренирующие мышцы ног. В преддверии совместного советско-индийского полета в космос в Москву из Индии был приглашен известный йог Трирента Брахмачари. Он предложил несколько конкретных упражнений, похожих на «гусиный шаг» и полуприседания. На их основе были разработаны специальные тренажеры, ставшие неотъемлемой частью интерьера космического корабля. Проблема сохранения кальция в условиях невесомости была решена. Но для многих людей, живущих в земных условиях, она остается актуальной. Что делать? Последовать опыту космонавтов: гармонично сочетать прием кальция с упражнениями, создающими подходящие условия для его встраивания в костную ткань. А диагноз «остеопороз» является не противопоказанием, а самым что ни на есть «показанием» для физических нагрузок. И чем разнообразнее нагрузки, тем скелет прочнее. В качестве «кальцийукрепляющего» средства подходят и вышеупомянутые упражнения для ног, и езда на велосипеде, и плавание, и лыжи, и просто прогулки пешком. Особенно в солнечные дни, поскольку под действием солнечного света в коже образуется витамин D, необходимый для усвоения кальция. И чтобы добиться ощутимого результата, упражнения надо делать регулярно!

* * *

На примере кальция мы увидели, что устойчивость и прочность ценны не сами по себе, а предназначены для определенной цели: сохранять жизнь, обеспечивая саму возможность движения. Ведь что есть жизнь, как не бесконечное движение, усилие, стремление…

Наталья Аднорал, канд. мед. наук