Бионика: интегрированный анализ живых систем и их технических аналогов

Биоинженерные механизмы живой природы и предпосылки возникновения бионики. Человечество всегда восхищалось естественными творениями живой природы. У пауков наблюдается функциональный гидропривод, у земляной осы — принцип отбойного молотка, у летучей мыши — эффективный ультразвуковой локатор, а у кальмара — реактивный двигатель. Исследователи обнаружили точный барометр у мегулики, вьюна и пиявок, предсказатель штормов — у медузы. Органический анализатор запахов обыкновенной собаки способен различать свыше 500 000 ароматических соединений. Натуральный счетчик Гейгера функционирует у улитки, гиротрон — у мухи, поляризационный солнечный компас — у пчелы, датчик скорости движения — у жука, опреснитель морской воды — в клюве альбатроса, а высокочувствительный сейсмограф — у водяного жука и кузнечика.

Методологический синтез биологических и технических дисциплин. Живая природа выступает как совершенный конструктор и инженер. Миллионы лет эволюции отрабатывали и совершенствовали естественные структуры. Эти биоинженерные системы функционируют исключительно точно, надежно и экономично, отличаясь гармоничностью и целесообразностью. Они способны реагировать на минимальные изменения факторов внешней среды, запоминать их и отвечать адаптивными реакциями. Естественно, человек не мог оставить без внимания данные природные решения. На стыке трех фундаментальных областей знания — биологии, математики и техники — сформировалась междисциплинарная наука бионика.

Становление бионики и исторические аспекты биоподражания. Формально датой рождения бионики считается период с 13 по 15 сентября 1960 года, когда в Дайтоне (США) состоялся I Национальный конгресс по бионике. В работе симпозиума приняли участие 700 ученых различных специальностей: биологи, физиологи, математики, физики, инженеры. На конгрессе была официально принята эмблема бионики: скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла (как показано на рис. 1). В этой символике скальпель олицетворяет биологию, паяльник — технику, а знак интеграла — математический аппарат и интеграцию наук. Тогдa же был утвержден официальный девиз бионики: «Живые прототипы — ключ к новой технике».

Исторический опыт использования биопрототипов. Применение принципов подражания живым организмам началось задолго до официального оформления бионики. Древние орудия труда по своей конструкции воспроизводили отдельные органы животных. Древнегреческий философ Демокрит отмечал: «От животных путем подражания мы научились важнейшим делам, а именно, мы ученики паука в ткацком и портняжном ремеслах, мы ученики ласточек — в построении жилищ и певчих птиц — в пении...». Археологические находки подтверждают, что форма режущей кромки каменного топора воспроизводила строения острой формы зуба медведя. Изучение хрусталика глаза при операциях натолкнуло врачей древности на идею создания искусственных линз из хрусталя или стекла.

Вклад бионики в развитие оптики и аэродинамики. Анализируя значение оптических устройств, ученый Джон Бернал подчеркивал, что создание линзы стало первой исторической попыткой расширить естественный сенсорный аппарат человека. Линза стала прототипом телескопа, микроскопа и других оптических приборов последующих эпох. Выдающийся русский ученый Н. Е. Жуковский, исследуя динамику полета птиц, раскрыл механо-физические законы работы крыла и разработал фундаментальную методику расчета подъемной силы. Его классический труд «О парении птиц» лег в основу современной аэродинамики. Примеры подобного подражания целесообразности природы особенно ярко проявляются в эпоху научно-технической революции.

Рис. 1. Эмблема бионики.

Физическое и техническое моделирование биологических процессов. Биологическая наука традиционно использует искусственные физические модели для детального анализа функций органов. Простейшей моделью кровеносного сосуда служит резиновая трубка. Пульсацию кровеносных сосудов под действием гидродинамического давления тока крови на резиновой модели успешно воспроизвел академик Н. Е. Жуковский. Физическими моделями глаза выступают фотоаппарат и фотоэлемент, а уха — микрофон.

Моделирование нервной деятельности и рефлекторных дуг. Моделью безусловного рефлекса может служить замкнутая электрическая цепь, состоящая из лампочки, источника питания и ключа. Моделью условного рефлекса выступает сосуд с электролитом, в котором происходит рост кристалла. При погружении электродов в раствор через него проходит слабый ток; по мере разрастания кристалла и замыкания контактов сила тока резко увеличивается. В 1920 году английский исследователь Лилли создал физико-химическую модель нервного волокна. Он погрузил железную проволоку в концентрированную азотную кислоту, в результате чего на ее поверхности образовалась оксидная пленка. При прикосновении к проволоке кусочком цинка по ней волны пошла гальваническая волна, распространявшаяся подобно биотокам в нерве. Позже было установлено, что специальный проводник из изолированной проволоки разной толщины также служит наглядной моделью нерва.

Экспертные эксперименты по протезированию нервных стволов. Член-корреспондент АМН СССР Б. В. Огнев, кандидат технических наук Е. Ф. Гудов, Н. М. Мельникова и Б. И. Жиров провели серии успешных экспериментов по протезированию нервной ткани. При иссечении участка седалишного нерва у подопытного животного обычно развивается паралич конечностей, возникают трофические язвы и наступает гибель. Исследователи перед операцией обнажали нерв и вводили в его толщу тончайшие металлопроводники различной длины, формируя параллельную проволочную дугу. Через несколько недель, после вживления концов проволок в нервную ткань, промежуточный участок нерва иссекался. После заживления операционной раны моторная функция полностью восстанавливалась, паралич не развивался — металлический проводник выполнял функцию естественного нервного ствола.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.