Текст книги "Бионика: подсказано природой"

Как себя обезопасить?

Для того чтобы разобраться с особенностями движения жука, биомеханики привлекали сведения о движении человека. Что ж, для исследователей, в принципе, не важно, о каком живом объекте идет речь, – с точки зрения построения моделей, имитирующих его существование в природе.

Вряд ли мы можем по-прежнему ощущать себя «царями природы». Если вы дочитали книгу до этого места, то могли убедиться, что во многом люди уступают своим соседям по планете. Когда же речь заходит о поисках подходящего «типажа» для имитации какого-либо природного или искусственно организованного процесса, человек вполне может служить своей собственной моделью.

Так, например, во время испытаний автомобилей и средств безопасности при езде нет нужды искать какого-либо зверя, который бы «подсказал», что необходимо в этом случае предпринять. Люди создают биомеханическую модель, снимая мерки для нее с самих себя. (Так же, как портные используют манекены, чтобы посмотреть, хорошо ли будет сидеть одежда.)

Как ни старайся, но сделать с помощью регулировки движение на дорогах совсем безопасным нельзя. Всех ситуаций не предусмотришь, и поэтому разработчики автомобилей всячески пытаются обезопасить своих пассажиров. Вот для этого они и прибегают к советам специалистов по биомеханике.

Например, фирма «Дженерал Моторс» спроектировала самовыравнивающееся рулевое колесо и ударопоглощающую рулевую колонку. Чтобы создать это оборудование, потребовались долгие годы исследований особенностей столкновения твердых предметов с тканями человека. После многих экспериментов и обработки данных о реальных авариях была создана биомеханическая модель грудной клетки человека. (На рисунке пружинами отображены упругие свойства наших тканей, а значками в виде кнопок – воздушные амортизаторы, которыми служат легкие.) Подобие этой модели реального человека и дало возможность разработать устройства, снижающие, а то и вообще исключающие травматизм во время аварий.

Закончить этот рассказ, а с ним и главу хотелось бы интересным высказыванием великого ученого Константина Эдуардовича Циолковского, который, размышляя над обеспечением безопасности и комфорта обитателей межпланетных кораблей, предлагал помещать их в жидкость. «Природа давно пользуется этим приемом, – писал он, – погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений».

Хотелось бы надеяться, что в жидкости космонавт легче перенесет значительные перегрузки, чем в специальном кресле. И хотя это изобретение природы еще ждет своего повторения человеком, важно подчеркнуть, что, видимо, и в космосе пригодятся ее подсказки.

Биоархитектура

 
Скорлупа куполов, позвоночники колоколен.
Колоннады, раскинувшей члены, покой и нега.
 

И. Бродский

Почему так часто поэты и писатели прибегали к сравнению архитектурных шедевров, созданных человеком, с творениями окружающей нас природы? Не потому ли, что своими формами гениальные творения архитекторов вызывают в нас ощущения красоты и целесообразности, присущие естественным постройкам?

Действительно, колонны древних храмов похожи на тянущиеся вверх деревья, купола и перекрытия сходны очертаниями с раковинами, листьями и даже овалом яичной скорлупы. А вот купол московского планетария, изображенный на рисунке вверху, архитекторы уподобили пасхальному яйцу.

Природная гармония порой вызывает и обратные сравнения. Например, Н. Гумилеву принадлежат такие строки:

 
Спокойно маленькое озеро,
Как чашка, полная водой.
 
 
Бамбук совсем похож на хижины,
Деревья – словно море крыш.
 
 
А скалы острые, как пагоды,
Возносятся среди цветов.
 
 
Мне думать весело, что вечная
Природа учится у нас.
 

Так кто же у кого учится? Читайте – и решайте сами.

Что-то природа подолгу выращивает, незаметно подгоняя одну деталь к другой, а какие-то сооружения буквально на наших глазах возводят насекомые, птицы и животные.

Необыкновенно разнообразие птичьих гнезд; удивительны по своей сложности и прочности постройки бобров – их плотины могут выдержать вес всадника на коне; термиты сооружают «замки» высотой до семи метров, да такие крепкие, что о них приходят почесаться слоны. Велик природный инстинкт строительства – ведь необходимо располагаться на ночлег, а то и укладываться на долгое время в спячку, надо где-то хранить запасы продовольствия, укрываться от врагов. А главное – иметь надежное и удобное место для выведения потомства.

Вот и появляются гнезда, шалаши, норы и берлоги. Тысячи лет всё живое хранит наследственные программы – так сказать, проекты, в точном соответствии с которыми сооружают жилища новые поколения. Муравьи строят свои дома так же, как строили их предки сто миллионов лет назад. Маленький бобренок с рождения знает, как без риска для себя валить деревья и возводить плотины.

Но более развитым животным без обучения не обойтись. Например, если шимпанзе не видел, как строят гнезда родители, он вырастет никудышным «зодчим». Человеку же и подавно требуется долго учиться, чтобы стать строителем или архитектором.

Однако немалую помощь в этом нам может оказать природа. Неудивительно, что в бионике сложилось даже целое направление, называемое архитектурной бионикой.

Растения и земное притяжение

Как ведут себя в условиях тяготения растения? Что помогает им строить себя – расти? Реагируют ли они на гравитацию аналогично животным? Может быть, у них тоже есть подобие сердца, которое гонит по их организму питательные соки?

Вопросы сходства и различия внутреннего устройства растений и животных волновали исследователей давно. И пока они не были вооружены достаточно точными приборами, на эту тему оставалось лишь фантазировать. Когда же появились микроскопы с большим увеличением, удалось разглядеть, что в стволах (стеблях) растений находятся сосуды, по которым снизу вверх перемещается живительная влага, насыщенная необходимыми для питания и роста растений веществами, – это показано на рисунке.

Но как высоко она может подняться, преодолевая земное тяготение? Ведь даже поршневым насосом воду невозможно поднять на высоту более десяти с небольшим метров. Правда, сосудики растений очень тонкие. В них жидкость может подниматься значительно выше. Такие сосуды или трубки с очень узким каналом называют капиллярами.

Однако только капиллярными силами не объяснить, каким образом поднимаются вытягиваемые из земли вещества к вершинам таких деревьев-гигантов, как эвкалипт или секвойя. Ведь здесь разговор идет уже о более чем сотне метров!

Лишь в XIX веке было обнаружено явление, названное осмосом. Им объясняется многое из происходящего с клетками. За счет осмоса внутриклеточная жидкость находится под бо́льшим давлением, чем жидкость снаружи. Это явление, кстати, является причиной упругости листьев растений – они вянут, когда давление внутри клетки падает и она «съеживается».

Осмос – это односторонний переход воды через клеточную мембрану, которая свободно пропускает воду, но не выпускает из клетки молекулы растворенных солей или сахаров. Вода движется через такую мембрану в сторону большей концентрации раствора.

В растительном организме концентрация внутриклеточных растворов возрастает от корней к стеблям и листьям. Такая передача от клетки к клетке «эстафеты» концентраций и обеспечивает постепенный подъем жидкости по стволу дерева через тонкие каналы – «скелеты» омертвелых клеток. Похожим образом, по уровням, происходит подача воды в небоскребах.

Биологами были проведены интересные опыты, подтверждающие схожесть реакций растений на земное тяготение и освещение. Верхушка растения стремится ввысь и ориентируется на свет, корень же растет вниз, а в присутствии одностороннего источника света изгибается в сторону тени. Эти явления получили названия «геотропизм» и «фототропизм». Таким образом растение старается обеспечить себя светом и теплом вверху и достичь источника воды и питательных веществ внизу.

Великий биолог Ч. Дарвин писал: «В растении нет структуры, более замечательной по своим функциям, чем кончик корня». Прошло более ста лет, но отнюдь еще не все ясно в механизмах описанного поведения растений. А это важно не только людям, постоянно живущим на Земле, но и космическим путешественникам, желающим выращивать урожаи в условиях невесомости. До сих пор неясно, например, как растения могут нормально расти, не «чувствуя» тяготения?

Кто лучший строитель шалашей?

Одним из самых древних жилищ, сооружавшихся человеком, были шалаши. Не исключено, что природа при этом впервые подсказывала людям, как их возводить: хороший пример подавали гнезда птиц, которые они строили на деревьях, а зачастую и на земле. Ведь это только кажется, что сухие веточки, травинки, листья – ненадежный строительный материал. Соединенные вместе, сплетенные между собой, они образуют весьма прочный каркас. А если такое сооружение проконопатить, утеплить мхом, устлать перьями и пухом, то получится довольно удобное жилище.

И сегодня можно наблюдать, как строит свои брачные сооружения птица, которую так и называют – шалашник. Каких только разновидностей этих построек не существует! Мало того, что шалашники кропотливо выкладывая веточку к веточке, создают гнезда-шалаши различных форм, они еще и украшают их раковинами улиток и расписывают соком ягод с помощью кисточки из мочалки. Как считают ученые, это необходимо самцам (а только они занимаются подобным строительством) для привлечения самок. У кого самый красивый и надежный шалаш, тот, скорее всего, хороший «хозяин», тому и быть главой будущего семейства.

Выкладывая разнообразными предметами площадку перед выстроенной «беседкой», шалашники оказали помощь… археологам и палеонтологам. Так, у одного шалаша ученые обнаружили свыше ста пятидесяти костей млекопитающих, раковины доисторических моллюсков и множество остатков материальной культуры древнего человека – даже каменные орудия труда!

Возможно, в глинистом обрыве у реки вам приходилось видеть небольшие пещерки – гнезда береговых ласточек. В лесу найти жилища птиц сложнее, – они обычно расположены в укромных местах. Но если набраться терпения и долго наблюдать за пернатыми, то можно найти и служащие им жилищами дупла, и висячие домики, и даже земляные норы.

Наш далекий предок был намного ближе к природе, и ему было нетрудно находить жилища птиц, например, когда он выслеживал их во время охоты или хотел полакомиться их яйцами. Подмечая особенности уже построенных гнезд и наблюдая за их отделкой, он наверняка запоминал инстинктивные «трудовые навыки» птиц и перенимал их, чтобы затем использовать для своих нужд.

Но учили его не только птицы…

В чем загадка паутины?

Гуляя в лесу или заходя в какое-нибудь заброшенное помещение, мы нередко натыкаемся на паутину. Ощущение этих липких нитей вызывает у нас желание как можно быстрее стряхнуть их с себя. Но ведь это – прекрасный строительный материал, которым порой даже птицы «цементируют» гнезда. А сама паутина – истинное произведение архитектурного искусства! Постарайтесь понаблюдать за растянутыми между кустами или в углах подвалов паутинами, а если повезет, за процессом их сооружения, когда паучок мастерски создает узор своей ловчей сети.

Очевидно, что паутина – это прежде всего средство, с помощью которого паук охотится. Поразительным образом природа заложила в него программу создания довольно сложных конструкций. Более того, для нитей, выполняющих разные функции, паук вырабатывает различные виды шелка. Одно дело – сердцевинное волокно ловчей спирали, другое – сигнальная нить, третье – нить для яйцевого кокона, четвертое – для обматывания добычи и так далее.

Многие паучьи «конструкции» буквально один к одному были использованы архитекторами при проектировании перекрытий большой площади. Возможно, вы видели похожее сооружение над огромным современным стадионом. Напоминает паутину и переплетение тросов подвесных мостов. Но дело еще и в другом.

Почему паутинки обладают столь большой эластичностью? Почему, заметно удлиняясь, нити не рвутся, а выдерживают давление ветра, натяжение от движения самого паука во время плетения сети или когда он бежит к запутавшемуся насекомому?

Оказывается, сухой шелк – основа нити – довольно жесткий материал, плохо поддающийся растяжению. Но в момент выделения шелковая нить обволакивается вязкой жидкостью, вырабатываемой пауком. Затем эта жидкость впитывает атмосферную влагу и собирается в мельчайшие капельки. Поверхностное натяжение капелек заставляет шелковое волокно скручиваться внутри них в «мотки». Растягивая нить, вы словно разматываете эти моточки, поэтому нить и может без провисания в несколько раз менять свою длину. Недаром в Индонезии из паутины до сих пор делают рыболовные лески.

Совсем недавно, в 2017 году, ученым удалось создать искусственную паутину, не уступающую по своим свойствам настоящей. Волокно из гидрогеля, состоящего из воды, оксида кремния и целлюлозы, вытягивали в тончайшие нити и давали подсохнуть. Эти нити выдерживали механическое напряжение в 100–150 мегапаскалей и были прочнее вискозы, искусственного шелка и некоторых сортов стали. А еще они могли растворяться в воде, подобно настоящей паутине.

Разработчики надеются использовать эти свойства в производстве суперпрочных тканей.

Подсказки жуков и водорослей

Порой человек умудряется очень быстро пройти путь, на который природа потратила миллионы лет. Особенно интересно сравнить результаты, когда инженеру или конструктору не приходило в голову с ней советоваться.

Взгляните на картинку, где показано, как эволюционировало искусство перекрытия сооружений, и как менялись с течением времени строение и форма жестких надкрылий жуков.

По рисункам в нижнем ряду (слева направо) заметно, что первоначально вдоль надкрылья располагались продолговатые трубочки. Затем они вытягивались, число их росло, потом уменьшалось, и сами они словно подрастали, превращаясь в то, что инженеры называют ребрами жесткости.

Еще позже эти ребра расширялись в верхних своих частях, которые в дальнейшем сливались. В итоге получилась так называемая рамная конструкция с вертикальными колонками-перемычками. Это довольно легкое и весьма прочное покрытие. Цель, которую «ставила» перед собой природа, была достигнута.

Если же проследить по рисункам в верхнем ряду за различными вариантами конструкций, создаваемых человеком, то, разумеется, полного совпадения не обнаружится. Путь, по которому шли конструкторы, изобиловал находками и неудачами. Но развитие техники привело, в конце концов, к тому же результату, которого достигла природа.

Не всегда, конечно, схожи пути развития конструкторской мысли человека и «инженерных» задумок природы. Однако, если ставятся одинаковые цели, решения удивительным образом копируют друг друга.

Когда человек выясняет, как ту или иную архитектурную проблему пыталась разрешить природа, он часто обращается к ней за советом. Интересен пример из практики одного отечественного изобретателя. Наблюдая за морским прибоем, он обнаружил, что голые камни на береговой линии испещрены ямками и царапинами, а валуны, покрытые водорослями или мхом, почти не разрушаются от ударов волн. Это привело его к изобретению защитного слоя, содержащего упругие стержни, волокна или пластинки для бетонных гидротехнических сооружений.

Не хотите ли пожить в улье?

Удивителен подарок природы – мед. Вкусный, душистый, сладкий, полезный… Но не менее удивительны и те, кто его производят. Много занимательного можно рассказать о пчелах, однако сейчас для нас наиболее важно их архитектурное мастерство.

Конечно, вы видели, а может быть, даже держали в руках соты – эти маленькие пчелиные домики. Строят их насекомые и для жилья, и для хранения меда, и для выведения потомства. А материал, из которого лепятся соты, пчелы изготавливают сами, выделяя вещество, которое после растирания челюстями и смачивания пчелиной слюной превращается в светлый и мягкий воск.

Сначала пчелы возводят в улье опорную стенку, затем на ней «моделируют» соты. Поначалу круглые ячейки в стене пчелы выскабливают изнутри под углом шестьдесят градусов. Именно такой угол обеспечивает затем сотам правильную шестигранную форму и отменную крепость.

Аристотель (384–322 до н.э.) – древнегреческий философ. Создал первую классификацию животных, определил пять основных типов чувств: зрение, осязание, обоняние, слух и вкус. Ему принадлежат сочинения «Описание животных» и «О возникновении животных». Считал, что научному объяснению всегда должно предшествовать свободное от предвзятости наблюдение.

Замечено это было еще в древности, например, Аристотелем, писавшим, что пчелиный улей настолько прочен и тверд, что его трудно разрушить даже острой палкой. Однако долгое время было неясно, почему пчелы выбрали для улья именно такую форму. Давайте попробуем воспроизвести ход рассуждений исследователей, пытавшихся разгадать эту загадку. Очевидно, что пчелам требовалось найти такое решение, чтобы и домики были крепкими, и разумно использовалось их пространство.

Из отложенных в соты яиц в течение нескольких дней развиваются куколки. Просторней всего они чувствовали бы себя в помещении округлой формы (вроде цилиндрика). Но тогда между домиками оставалось бы много свободного места, да и сами домики надо было бы строить по отдельности.

Ни квадраты, ни равносторонние треугольники, заложенные в основание ячейки, не подходят для достижения поставленной цели, поскольку куколка находилась бы в середине ячейки, оставляя пустыми ее углы.

После долгих, продолжавшихся, возможно, миллионы лет проб пчелы выбрали шестиугольник. А человек своими расчетами подтвердил, что это идеальная форма для наиболее полного использования площади. Согласитесь, что контур шестиугольника близок к кругу и почти весь объем ячейки заполняется куколкой, а общие стенки домиков ведут к большой экономии строительного материала – воска.

Архитекторы и строители уже убедились, насколько выгодны такие ячеистые элементы для сборных конструкций, и активно их применяют. Появились сотообразные плотины, элеваторы, гостиницы, жилые дома…

Почему прочны кости?

Достигнув в строительстве зданий высокого мастерства, люди, тем не менее, долгое время не рисковали строить высотные дома. Ведь строительные материалы были не настолько прочны, чтобы выдерживать огромные нагрузки, возникающие при возведении небоскребов.

К тому, о чем мы говорили ранее, обсуждая, на какую высоту поднимаются в деревьях соки, надо добавить, что ограничения на рост растений накладывает и их вес. Дерево циклопических размеров раздавит само себя.

Проблема, однако, заключается не только в прочности материала, но и в способах соединения изготовленных из него деталей сооружения. Скажем, из легких и длинных деревянных бревен можно соорудить каркасы различной формы, а вот из камня нет смысла вырубать длинную перекладину – при испытываемых ею нагрузках от собственного веса такое его применение будет совсем неоправданным.

Использование металла в строительстве довольно быстро привело к появлению так называемых ажурных конструкций. Иными словами, монтировался «скелет» здания, а уже к нему крепились остальные элементы – стены, оконные и дверные блоки, лестницы и прочее.

Сказав слово «скелет», мы не просто прибегли к наглядной аналогии. Не только медикам и физиологам известно, какой прочностью обладают составляющие его кости. Например, бедренная кость человека выдерживает нагрузку до полутора тонн (это вес автомобиля). Конечно, хорошо, что природа «сооружает» нас с таким запасом прочности. Но как ей это удается?

Сотни миллионов лет она словно ставила опыт за опытом, отрабатывая жизнеспособные «конструкции». В последние десятилетия были найдены останки нескольких гигантских древних ящеров. Сначала – сейсмозавра («сотрясателя земли»), весившего около восьмидесяти тонн. Позже – аргентинозавра ростом свыше тридцати метров и весом более 100 тонн. И маменчизавра, вес которого доходил до 120 тонн. Какие же прочные им были нужны скелеты!

Исследование костей показывает, что прочность их строения определяется в том числе и своеобразным распределением составляющих их тканей. Они выстилаются таким образом, что разносторонние – и с торцов, и с боков – нагрузки вызывают прежде всего сжатие или растяжение костей, а не их изгиб. Для сравнения вспомните: как легче сломать палку – вдоль или поперек? К тому же основная масса костей сосредоточена в их внешней части, а внутри они пористы, практически пусты. Особенно это заметно у птиц.

Такое созданное природой распределение материала удивительным образом совпадает с инженерными находками человека. Например, люди уже давно поняли, что столбы и опоры не обязательно делать сплошными, можно вполне обойтись трубами. В конструкциях различных металлических башен порой можно обнаружить буквальное повторение конструкции костей. Таково, например, устройство знаменитой Эйфелевой башни. А вот выяснилось это чуть ли не через сто лет после ее создания.

Так что теперь при постройке высотных сооружений люди уже намеренно стремятся заимствовать решения, найденные и опробованные природой.