Увлекательная бионика

Удивительнее всего оказалось то, что при увеличении нагрузки расход жуком энергии сокращался. Получалось, что на перемещение собственного веса жук тратит больше энергии, чем на переносимый им груз. Такие результаты поставили экспериментаторов в тупик.

На помощь призвали специалистов по биомеханике. Они припомнили, что с подобным явлением приходилось сталкиваться при наблюдениях за женщинами некоторых африканских племен. Те могут нести на голове груз, вес которого составляет около пятой части веса их тела, не совершая при этом дополнительных усилий. Как же это возможно?

Обратили внимание, что из сосудов с водой, которые несут на головах женщины, по дороге не расплескивается ни капли. Это говорит о том, что никаких вертикальных движений они не совершают. Другими словами, в пути женщинам удается поддерживать центр тяжести тела на постоянной высоте. Для этого они вырабатывают особенную плавную походку. Мы же – обычные, нетренированные люди, – когда идем широким шагом или вразвалку, тратим заметную долю своих усилий на никому не нужное смещение вверх-вниз центра тяжести своего тела. Это и приводит к неоправданным затратам энергии, а значит – к усталости.

К сожалению, полностью ответить на вопросы, связанные с движением жука-носорога, до сих пор не удалось. Ученые собираются исследовать усилия, развиваемые каждым из мускулов жука. Уж очень заманчиво выяснить, как можно двигаться без дополнительной затраты сил…

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 бо?льшим 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.