Природные конструкции в технике
ГИДРОЛОКАЦИЯ В ПРИРОДЕ Почти все рыбы, миноги и водные амфибии имеют особый орган чувства — боковую линию. Приемное устройство необыкновенно чувствительно, представляя, по сути, для рыб гидроакустическую антенную систему, настоящий локатор. Когда рыба плывет, впереди бежит волна. Отражаясь от встречных предметов, она возвращается к боковой линии и улавливается ее рецепторами, которые информируют рыбу об окружающих препятствиях, помогая таким образом обнаружить добычу или врагов. С помощью боковой линии рыбы ориентируются в мутной воде, в темноте и даже будучи слепыми.
Эхолокация у дельфинов — основной способ ориентации в различных жизненных ситуациях: при добывании пищи, преодолении препятствий, распознавании различных объектов в водной среде. Принцип работы локатора у дельфина основан на излучении животным звуковых сигналов и улавливании их отражения, эха. Эхолокатор дельфина поражает необыкновенной точностью. На расстоянии, например, 20—30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм. Кроме месторасположения предмета дельфины могут различать форму предмета, их величину, структуру, а также скорость и направление движения. Животные без труда отличают свои сигналы от множества посторонних шумов и помех.
Принцип устройства и функционирования локаторов дельфинов еще недостаточно исследован. И, несмотря на созданные человеком, многие высокочувствительные технические системы гидроакустического поиска и обнаружения, гидролокаторы дельфинов остаются пока непревзойденными образцами гидролокационной техники.
ЖИВЫЕ РАДАРЫ У некоторых животных слух «заменяет» зрение. Издавая звуки и чутко прислушиваясь к их отражению, они обнаруживают таким образом на расстоянии или в темноте добычу, врага, препятствие и прочее.
С помощью эха выискивают личинок жуков-короедов дятлы. Таким же способом ищет себе личинок и жуков ночной житель мадагаскарских джунглей лемур ай-ай (руконожка). У руконожки очень длинные пальцы, особенно третий. Этим пальцем лемур тихонько выстукивает старые деревья и на слух определяет местоположение личинок.
С помощью только одного слуха в полной темноте летает и добывает пищу ночная сова сипуха. Особое устройство слухового аппарата позволяет ей не только улавливать малейшие шорохи, но и определить местонахождение источника звука, то есть ориентироваться.
Радары (радиолокационные установки) были созданы несколько десятков лет назад. С их помощью по эхо-сигналу, отраженному от удаленного объекта, устанавливают местонахождение объекта, направление и скорость его движения. Природа в своей мастерской создала подобную систему намного раньше, чем человек, только вместо радиоволн живые модели пользуются звуковыми.
МОЗАИЧНОЕ ВИДЕНИЕ Глаза насекомых и других членистоногих — сложные органы. При сильном увеличении можно увидеть, что такой глаз состоит из многих крошечных «окошечек» - фасеток. Каждая фасетка является концом структурной единицы глаза — омматидия. Таким образом, сложные глаза состоят из многих тысяч омматидиев — изолированных друг от друга простых глазков. Например, глаз речного рака состоит из 3 тыс. омматидиев, глаз комнатной мухи — из 4 тыс., а глаз стрекозы — из 28 тыс.! Каждый омматидий одновременно воспринимает свет и создает изображение. В результате совместной работы всех омматидиев сложный глаз дает не единое изображение предмета, а разлагает его на тысячи отдельных кусочков, то есть создает мозаику, в которую каждый элемент глаза вносит свое, отдельное изображение. Малейшее смещение предмета смещает и изображение с одного омматидия на другой. Поэтому сложный глаз исключительно точно реагирует на движение, и поскольку движущийся предмет последовательно появляется в разных глазках, это дает возможность насекомому определить скорость перемещения предмета. Основываясь на этом принципе, конструкторы создали прибор, способный мгновенно измерять скорость самолетов, попавших в поле его зрения. Бионики создали измеритель путевой скорости самолета относительно Земли. Была разработана фотокамера «мушиный глаз» для особо точных репродукций с оригиналов. Такая камера отличается высокой разрешающей способностью и большой скоростью съемки.
Сложные глаза могут воспринимать ультрафиолетовую часть спектра, кроме того бабочки, пчелы, шмели, жуки и другие насекомые, посещающие цветы, различают цвета (но в какой мере и какие именно, еще мало известно). Наземные и водные членистоногие различают также поляризованный свет, то есть световые лучи, электромагнитное колебание которых совершается в одной плоскости. Омматидии имеют своеобразные фильтры, которые пропускают поляризованный свет солнца с разной интенсивностью в зависимости от направления движения насекомого, что позволяет насекомым ориентироваться по солнцу даже тогда, когда оно закрыто плотными облаками. Используя этот принцип сложного глаза, бионики создали прибор «небесный компас», определяющий положение солнца по поляризованному свету и служащий средством навигации.
ВОЗДУШНЫЕ НАВИГАТОРЫ В мире животных нет более искусных навигаторов, чем птицы. С давних пор человек использовал голубей для пересылки писем. Вершина навигационных способностей птиц — их сезонные перелеты (миграции). С наступлением осени, большая часть птиц Земного шара, покидает свои родные места и отправляется в далекие, полные трудностей и опасностей путешествия к местам зимовок, а весной они снова возвращаются «домой». Группами и в одиночку, днем и ночью, в туман и сильный ветер летят птицы, покрывая подчас огромные расстояния.
Способность к навигации у птиц — чувство врожденное. Ученые предполагают, что птицы могут днем ориентироваться по солнцу, ночью—по звездам. Но поскольку небесный свод подвижен, для правильного определения направления полета необходимо знать время. Оказалось, что птицы могут каким-то образом вести счет времени, что у них есть своеобразные биологические часы. Птицы хорошо чувствуют и магнитное поле Земли, которое, возможно, тоже используют в полете. Но когда при экспериментах птиц лишали всех этих ориентиров, они все равно брали правильное направление. Установлено, что ориентация птиц — процесс комплексный, в котором участвуют почти все органы чувств, но устройство и принцип работы систем ориентации — механизм ориентации, остается пока не разгаданным.
Бионики многих стран работают над механизмом ориентации животных, раскрытие которого даст возможность человеку создать в технике принципиально новые навигационные системы.
ПОЛЕТ НАСЕКОМЫХ Одним из изумительных творений мастерской природы является летательный аппарат насекомых. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе, ни в современной авиационной технике.
Бабочки адмиралы или репейницы, совершая дальние полеты в Африку, находятся в воздухе в течение многих часов. Они преодолевают такие гигантские расстояния благодаря высокой экономичности работы своего организма («мотора»). Бабочки расходуют «горючего» (жиров, углеводов и пр.) гораздо меньше, чем самолет топлива. И хотя скорость их полета невелика по сравнению с современными самолетами (самая большая — у стрекозы-дозорщика — достигает 144 км/час), но если сравнивать, сколько раз укладывается длина тела летуна в полете за единицу времени, то окажется, что относительная скорость у насекомых намного больше. Несравнимо выше и маневренность полета насекомых. Так, мухи из семейства сирфид могут подолгу зависать в воздухе, а затем быстро снижаться и мягко вертикально садиться даже на неровную площадку. Бабочка языкан на лету останавливается перед цветком, чтобы собрать нектар. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх и вниз. Чтобы не возникали при полете вредные колебания, на конце крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения (птеростигмы).
Авиаконструкторы после долгих поисков придумали самостоятельно подобное для крыльев самолетов. Но если бы они в свое время обратили внимание на птеростигмы насекомых, то разгадка причины флаттера — вибрации самолетного крыла — пришла бы гораздо раньше.
Полет насекомых — процесс сложный и во многом еще не разгаданный. Но идея создания летательного аппарата по принципу полета насекомых — энтомоптера — зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня биоников. Изучение летных особенностей насекомых открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных устройств в авиаконструкций. И там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные. Так, например, был разгадан секрет жужжальцев — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у некоторых насекомых, например у мух. Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат насекомому органом, определяющим отклонение от положения равновесия. На том же принципе был создан прибор — гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для обнаружения углового отклонения и обеспечения стабилизации полета.
ТУРГОР Вода, проникая в клетки, увеличивает в вакуолях объем клеточного сока, вакуоли начинают давить на цитоплазму, цитоплазма — на клеточную оболочку, которая от этого растягивается и напрягается (растение «оживает»). Благодаря тургору растения приобретают упругость.
Принцип тургора живых моделей привел к появлению в архитектуре совершенно новой области строительной техники — созданию пневматически напряженных конструкций. Пневматическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа или жидкости, обеспечивает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Важнейшими преимуществами надувных систем являются экономичность, малый вес, транспортабельность, компактность, быстрота монтажа, поэтому принцип тургора получил сейчас широкое применение особенно при сооружении временных построек: выставочных и ярмарочных павильонов, спортивных залов, туристических лагерей, овощехранилищ и пр.
Наиболее распространенными формами надувных построек пока являются цилиндрический свод и сферический купол, хотя принцип тургора допускает огромное разнообразие форм пневматических конструкций.
ПРИРОДНЫЕ ТЕРМОЛОКАТОРЫ Немногие животные имеют органы, воспринимающие на расстоянии тепловые (инфракрасные) лучи. Такие органы — термолокаторы — в жизни этих животных играют исключительно важную роль. Птицы из семейства сорных кур с их помощью выводят потомство. В течение долгого инкубационного периода, до тех пор пока птенцы не вылупятся и не выберутся на поверхность, эти птицы заняты только тем, что поддерживают в, гнезде постоянную температуру, то разбрасывая верхний слой гнездового материала, то снова нагребая его наверх, и постоянно пробуют его клювом, на котором находятся терморецепторы. Куры определяют температуру почвы с точностью до десятой доли градуса.
Наибольшей чувствительностью обладают термолокаторы гремучих змей. Терморецепторы азиатских щитомордников и американских гремучих змей — самые высокочувствительные в животном мире. Они реагируют на изменение температуры в тысячную долю градуса и позволяют змее обнаруживать на расстоянии объекты, температура которых всего лишь на десятую долю градуса выше или ниже температуры окружающей среды.
Задолго до того, как биологи обнаружили у ямкоголовых змей их термолокаторы, ученые и инженеры уже создали целый ряд устройств, весьма чувствительных к тепловому излучению: снайперские винтовки, инфракрасные прицелы, термистеры — термочувствительные сопротивления. В современной технике существуют инфракрасные детекторы, которые в сотни тысяч раз чувствительнее природных термолокаторов. С их помощью обнаруживают нагретые предметы на очень больших расстояниях, например, летящий на высоте самолет, или определяют температуру небесного тела. Но бионики продолжают изучать термолокаторы змей, поскольку они таят в себе еще много неразгаданного.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб.
Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.
ЖИВОЙ СВЕТ В природе существуют организмы, отличающиеся изумительным свойством излучать свет. Распространены они повсеместно — от экватора до полярных широт и от поверхности воды до предельных глубин. Среди сухопутных жителей таких организмов немного, это некоторые грибы и насекомые. Основная масса живых светящихся моделей живет в море и состоит из представителей простейших организмов, кишечнополостных, червей, моллюсков, ракообразных и рыб.
Свечение организмов (биолюминесценция) является характерным признаком их жизнедеятельности. Помимо желез с фотогенными (рождающими свет) клетками у глубоководных животных имеются фотофоры — специальные светящиеся органы, богато иннервированные и состоящие из рефлекторов и линз. Многие головоногие моллюски и рыбы имеют очень сложные органы свечения, целую сигнальную систему из множества фотофор. Иногда фотофоры снабжены светофильтрами, и тогда животные светятся разноцветными «фонарями». Количество и расположение фотофор бывает самое разнообразное.
Вопрос о биологическом смысле свечения животных во многом еще не ясен и остается пока на стадии предположений, поскольку научное изучение биолюминесценции началось совсем недавно, примерно 30 лет назад. Только в середине нашего столетия были созданы приборы (батифотометры), с помощью которых стало возможным изучение свойств световых сигналов (импульсов) отдельных организмов и свечения моря как природного явления. Свечение живых организмов имеет биофизические и биохимические основы, являясь частным случаем хемилюминесценции более общего физического явления, вызываемого излучением молекул, возбужденных в результате химических реакций. Но механизм биолюминесценции еще до сих пор не расшифрован.
Живой свет привлекает внимание многих ученых, в том числе и биоников. Установлено, что в «светильниках» живых организмов почти вся химическая энергия при окислении превращается в свет, тогда как в обычной электрической лампе более 70% энергии уходит не на освещение, а на образование тепла. Специалистами ведутся исследования по созданию вычислительных машин на световодах, более экономичных и надежных, чем электрические. Работают ученые и по созданию искусственного «живого света», который может быть применен в тех случаях, когда нежелательно пользоваться светом, излучающим тепло, например, в операционных, во взрывоопасных шахтах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антология любопытных фактов: Живая природа. /Автор-составитель Бернацкий А.С. – М.: Изд-во ООО «Трансгеотехнология», 2005. – 448 с.
2. Антология любопытных фактов: Феномен человека. /Автор-составитель Бернацкий А.С. – М.: Изд-во ООО «Трансгеотехнология», 2005. – 416 с.
3. Биология 10 класс. Поурочные планы (к учебнику «Общая биология» под ред. Беляева Д.К. и Рувинского А.О.) Составитель Ишкина И.Ф. – Волгоград: Изд-во «Учитель – АСТ», 1999. – 107 с.
4. Биология 11 класс. Поурочные планы (к учебнику «Общая биология» под ред. Беляева Д.К. и Рувинского А.О.) Составитель Ишкина И.Ф. – Волгоград: Изд-во «Учитель – АСТ», 2000. – 116 с.
5. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сивоглазов В.И. Биология: общие закономерности: Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных заведений. – М.: Школа-Пресс, 1996. – 624 с.: ил.
6. Константинов В.М. Биология: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования / В.М.Константинов, А.Г.Резанов, Е.О.Фадеева; под. ред. В.М. Константинова. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 320 с.
7. Кулев А.В. Общая биология. 10 класс (К учебнику под ред. Беляева Д.К.): Метод. пособие. – СПб.: «Паритет», 2003. – 256 с. (Серия «Поурочное планирование»)
8. Левитин М.Г., Левитина Т.П. Общая биология: В помощь выпускнику школы и абитуриенту. – Изд. 2-е, испр. и доп. – СПб.: «Паритет», 2000. – 352 с. (Серия «Экзамены без проблем»)
9. Мамонтов С.Г. Биология. Для школьников старших классов и поступающих в ВУЗы: Учеб.пособие. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002. – 544 с.: ил.
10. Общая биология: Учеб.для 10-11 кл. с углуб. изуч. биологии в школе./ Высоцкая Л.В., Глаголев С.М., Дымшиц Г.М. и др.; Под ред. Шумного В.К. и др. 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1995. – 544 с.: ил.
11. Рязанова Л.А., Алферова И.П. Учителю о медико-генетическом консультировании: Учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЧГПИ «Факел», 1995. – 92 с.