«Патентное бюро» природы16.02.2022 16:17

Органы чувств, насекомых, или полёт птицы зачастую воспринимаются человеком, как некий конструкт и изобретение великого творца. На самом деле мы знаем, что творец тут ни причём, и всё это появилось в результате эволюции и её движущей силы, естественного отбора. Однако это не мешает человечеству вдохновляться живой природой и на основе её материи пробовать повторить, или переплюнуть то, что она «запатентовала» в виде организмов, способных к полёту, или к эхолокации и радиационной чувствительности. 

И если с полётами большинство уже давно знакомо и самолёты видели практически все, то с организмами, способными точно чувствовать изменение радиационного фона, обстоит ситуация диаметрально противоположная. Сегодня в статье мы как раз и постараемся раскрыть вам подобные не очень популярные темы. Речь пойдёт о так называемом «патентном бюро» природы, которое люди активно стараются использовать в своих изобретениях при создании различных высокочувствительных приборов и монструозных машин.

▍Глаз таракана — дозиметр

Дозиметр — устройство, которое предназначено для измерения экспозиционной и поглощённой дозы, и эквивалентного им фотонного и нейтронного излучения. Данный прибор способен также вычислять мощности вышеуказанных величин. 

Принцип работы дозиметра основан на захвате ионизирующего излучения электронами. Захват происходит кристаллами люминофора. После нагревания эти кристаллы выпускают захваченные ими электроны в виде света. Интенсивность этого излучения измеряется прибором для определения количества излучения, которому он подвергался. 

В животном мире  тоже можно встретить «живые» дозиметры. Узнали мы о них благодаря биологическим и бионическим исследованиям, которые показали, что многие виды насекомых в ходе эволюции «приобрели» сенсорные системы, о которых человек и не мог  подумать.

Так, ещё в 60–70х гг. в ходе исследований по изучению глаза таракана было замечено, что на экране осциллографа появлялся сигнал, свидетельствующий о повышении радиоактивного излучения в тот момент времени, когда насекомое находилось вблизи источника опасности. При этом отмечалось, что эксперимент проводился в полной темноте. При повторении опыта было установлено, что всплеск возникал именно в тот момент, когда на глаз таракана «попадало» радиоактивное излучение. Это позволило сделать выводы, что эти животные «снабжены» высокочувствительным и ультраминиатюрным «счётчиком Гейгера».  

Глаза таракана

По мнению биологов, подобной чувствительностью обладают также  лесные муравьи. При попадании в зону даже слабой радиации, насекомые начинают суетиться и стремятся покинуть опасную зону. 

Глаза насекомых, ведущих сумеречный или ночной образ жизни, отличаются особыми скотопическими омматидиями.  В их экранирующих клетках пигменты могут мигрировать: при достаточном количестве света они распределяются равномерно (а), а при недостатке — скапливаются в верхней части клеток (б). В результате в тёмное время световое излучение с одного омматидия может попадать на рецепторные клетки соседних омматидиев. Возможно, что подобным способом некоторые насекомые  могут также ощущать повышение уровня радиции.

Рис. Н. Крюковой

Изучение таких сенсорных систем  может позволить в будущем создавать датчики сопоставимые с размерами рецепторов, которые представляют собой микроскопические клетки (но это не точно).   

▍Дельфины и летучие мыши — радар

Сегодня невозможно представить военное дело, гражданскую авиацию и флот без применения радаров и сонаров. Это наиболее незаменимый прибор на рыболовецких траулерах. Принцип работы радара основан на излучении импульса энергии (электромагнитной волны), который  отражается, возвращается и обрабатывается для получения нужной информации.

Средства звукового наблюдения времён Первой мировой войны. Источник

Этот вид ориентации в пространстве не обошла стороной и природа. В биологии и бионике данный способ ориентирования имеет название «эхолокация». Она получила широкое распространение среди живых организмов, которые используют её для обнаружения различных препятствий и поиска пищи.  Наиболее искусно эхолокацией овладели летучие мыши и дельфины.  

В древние времена казалось загадочной способность летучих мышей летать в абсолютной темноте. Люди не могли объяснить почему летучие мыши виртуозно ловят насекомых в полёте между деревьями и их многочисленными мелкими ветвями, не натыкаясь на встречные препятствия. 

Данный факт привлёк внимание выдающегося итальянского естествоиспытателя и натуралиста Ладзаро  Спалланцани. В 1793 г. натуралист проделал следующий опыт: он выпустил в тёмную лабораторию особь нетопыря, которая была им ослеплена. Результат поразил учёного: ослеплённое животное летало по комнате так же хорошо, как и зрячая, не задевая ни одного препятствия, которые Спалланцани хитро там расставил. Желая подтвердить исследование, натуралист лишил зрения ещё нескольких летучих мышей и после отпустил на волю. Через некоторое время учёный поймал ослеплённых животных и произвёл вскрытие. Было установлено, что слепота им никак не мешала добывать пропитание в виде различных насекомых.

Опыты Спалланцани были повторены в Швейцарии. Однако в этих экспериментах животным затыкали уши, и они стали натыкаться на расставленные препятствия. 

Узнав об опытах своего швейцарского коллеги Ш. Жюрина, итальянский учёный решил проверить их. Спалланцани в ходе нескольких высокоточных опытов установил, что нарушение зрения, осязания, обоняния и вкуса никак не влияло на полёт летучих мышей. Только при закрывании рта или ушей животные лишались способности уходить от расставленных препятствий. 

К сожалению результаты этих опытов не были приняты современниками Ладзаро  Спалланцани и только спустя полтора века  к вопросу об уникальности летучих мышей вернулись вновь. Им  занялись три американца —  Г. Пирс, Д. Гриффин и Р. Галамбос. 

Дональд Гриффин (3 августа 1915— 7 ноября 2003) американский профессор зоологии различных университетов, биофизик, популяризатор науки, увлечённый натуралист

В своих экспериментах с рукокрылыми американские исследователи плотно закупоривали животным рот или нос воском. В том и другом случае зверьки теряли способность обходить мелкие и большие препятствия в полной темноте. В дальнейшем исследователями был раскрыт главный секрет летучих мышей. Они обладают уникальными по своему совершенству органами ультразвуковой локации.

Благодаря специализированной аппаратуре, исследователи установили, что летучие мыши испускают неслышимый человеческому уху ультразвук и воспринимают его эхо, которое в полной темноте служит источником информации о препятствии или близкой добычи. Каковы же конструкция и режим работы природного локатора летучей мыши?  

Ещё до опытов американских исследователей  изобретатель автоматического пулемета Максим в 1912 году случайно выдвинул гипотезу о том, что для ориентации в пространстве летучие мыши используют эхо, исходящее от шума собственных крыльев. На самом же деле оказалось, что гортань животного устроена наподобие обычного свистка. Через этот «свисток» животное выдыхает из лёгких воздух с очень большой силой. Проходя через гортань, воздух рождает звуки очень высокой частоты — от 50 до 100 кгц. 

Рупором для испускаемого зверьком ультразвука служит открытый рот. Это заставляет звуковое излучение распространяться в одном направлении, в данном случае — в направлении полёта. Вполне логично использование именно ультразвука для эхолокации. Это объясняется тем, что размеры предметов, которые летучая мышь может обнаружить, зависят от длины волны. Если размеры предмета больше длины волны, то зверёк хорошо «слышит» предмет т. к. волна отражается так же хорошо, как луч света от большого зеркала. Если размеры объекта будут меньше или равны размеру волны, то животное посылает вторичные, дифрагированные звуковые волны, которые распространяются во всех направлениях от данного объекта. Отражённая звуковая волна, которая улавливается ушными раковинами, имеет меньшую энергию и, следовательно, зверёк понимает, что перед ним небольшой объект. 

В 1946 году советский учёный Е.Я. Пумпер выдвинул гипотезу, которая в дальнейшем была подтверждена на практике. Исходя из этой гипотезы, каждый последующий звук животное издаёт сразу же после принятия эха от предыдущего. Принятое эхо служит раздражителем, который и заставляет посылать следующий зондирующий сигнал. Также каждый последующий сигнал заставляет зверька увеличивать частоту издаваемых им импульсов. Это позволяет реагировать на быстрое изменение обстановки, устанавливать близость потенциальной добычи и препятствий. Интересно отметить тот факт, что сверхчувствительный «приемник» сигнала «выключается» в тот момент, когда летучая мышь испускает ультразвуковой сигнал. Скорее всего, это позволяет животному сберечь органы слуха от повреждающего действия «ультразвукового грохота». В последующем, О. Хенсон — анатом из Иельского университета установил, что у летучих мышей есть мышцы, которые позволяют ей закрывать уши в момент испускания сигнала. 

Таким образом, летучие мыши вооружены высокоточным природным радаром, который позволяет ей с лёгкостью маневрировать между ветвей деревьев, ловить добычу в кромешной темноте. Также этот радар позволяет получать информацию сразу о нескольких объектах, что делает его ещё эффективнее. 

Спустя десятилетия после открытия способностей летучих мышей конструкторы и изобретатели рвали когти, чтоб создать нечто подобное своими руками. Так, в 60–70е года ХХ в. многие исследователи придумывали концепты приборов, которые помогали бы незрячим людям ориентироваться в пространстве. 

Некоторые из этих приборов для слепых, дошли и до реализации. Но не сказать, чтобы они были особо успешны в коммерческом плане. Так или иначе, до сих пор технологию эхолокации стараются использовать везде, где только можно. Она прочно вошла в промышленность и ещё долгие годы будет являться основой для бионического дизайна различных приборов. 

Большое внимание учёных-биоников, которые занимаются разработкой локационных систем, привлекают не только летучие мыши, но и дельфины. 

Изучение эхолокации у дельфинов началось в 1947 году, когда американский зоолог Артур Мак-Бридж, который в тот период работал во флоридском аквариуме «Мериленд», заметил, что ночью дельфины с лёгкостью могут обходить сети, различные, другие препятствия, помещённые в водоём. Дельфины также с лёгкостью могут находить куски рыбы в кромешной темноте. Учёный выдвинул гипотезу о том, что эти китопарнокопытные, как и летучие мыши могут обладать эхолокационным  аппаратом. 

Одним из первых, кто детально изучил и задокументировал факт эхолокации у дельфинов, был Жак-Ив Кусто. Он описал свои наблюдения в книге «Безмолвный мир», которая была издана в 1953 году.  Каковы же механизмы работы эхолокационного аппарата дельфинов?  

Дельфины издают звуки с помощью носовых воздушных мешков, дыхательной трубки, гортани, легких и дыхала — органа, расположенного в верхней внутренней части головы и заполненного липидами низкой плотности. Для эхолокации дельфины издают ультразвуки, называемые «щелчками», проталкивая воздух между фоническими губами носовых ходов. Когда эти губы открываются и закрываются, окружающие ткани вибрируют и производят звуковые волны.У дельфинов в голове есть орган, называемый дыхалом, или дыней, который позволяет передавать звуковые волны. Дыня концентрирует пульсации, которые издаёт дельфин, и посылает их вперёд. Основная «функция» этого органа — группировать звуки в пучки, производить и усиливать резонанс. После того как излучение выпущено вперёд, звуковые волны отражаются от предметов, находящихся в воде. Часть сигнала отражается от объектов и возвращается в виде эха к дельфину. Его мозг принимает звуковые волны в виде нервных импульсов, которые потом анализируются. Приемник возвращающихся звуковых волн находится в нижней челюсти, и зубы дельфинов работают как антенны для приема сигналов. Это очень сложная адаптация, жизненно необходимая для выживания этих китопарнокопытных.

Случайный факт: Cуществует очень мало данных, которые можно использовать для прямого сравнения различий в эхолокационных способностях дельфинов и летучих мышей. Оба представителя животного мира имеют отличные эхолокационные способности, подходящие для своих сред обитания и типов своей добычи.  Однако, следует отметить, что скорость звука в воде примерно в пять раз выше, чем в воздухе. Данный факт должен  сильно повлиять на наше понимание того, как эти животные  используют свою «суперспособность».Так, летучие мыши в отличие от дельфинов вероятно имеют более  пластичную систему обнаружения жертвы. Это связано с характеристиками получаемого сигнала, которые могут значительно меняться во время различных фаз последовательности преследования добычи. Жертвы летучих мышей, сами того не осознавая, как бы обманывают своих  преследователей, ибо медленная скорость звука в воздухе позволяет добыче перемещаться на некоторое расстояние между звуковыми излучениями, которые издаёт сам зверёк.  Возможно, летучим мышам необходимо извлекать больше определенных типов информации, таких как скорость и направление движения добычи, а также  время между всеми гребнями волн исходящие от неё. Такое поведение несет название компенсации доплеровского сдвига. Оно было обнаружено у некоторых летучих мышей и полностью отсутствует у дельфинов. Видимо морским обитателям охотиться проще нежели «летающим повелителям ночи».

Изучение эхолокации у летучих мышей и дельфинов позволило человечеству сделать значительный скачок в развитии локационной техники. Но эти животные и сегодня таят секреты, которые предстоит раскрыть и воплотить в виде технических решений. 

▍Гимнарх — электролокация

Эхолокация получила широкое распространение в живой природе, но это далеко не единственный метод ориентации в пространстве, которым «владеют» животные. Взгляды исследователей привлёк гимнарх — хищная рыба, обитающая в африканских реках. Эта рыба является отличным электролокатором. У гимнарха очень маленькие, почти незрячие глаза и наличие электролокации позволяет животному обходить препятствия и ловить «мяско». Орган электрического «зрения» гимнарха находится у него в голове и непосредственно связан с мозгом. Генератор электрических импульсов расположен в хвосте рыбы.

Во время охоты гимнарх постоянно испускает ритмичные электрические импульсы частотой около 300 в секунду и промежутками между разрядами в 2,3 мсек. В период генерации импульса полярность хвоста становится отрицательной по отношению к голове. Таким образом, рыба создаёт электрическое поле, похожее на аналог диполя. Любой предмет, попавший в эту зону, изменяет её напряжённость и нарушает распределения в ней силовых линий.  Подсчёты показали, что гимнарх способен «ощущать» даже очень слабые источники напряжения, которые создают поле до 0,03 мкв/см. Следовательно был сделан вывод, что электрорецепторы рыбы «замечают» изменения силы тока равное 3×10 -15 ампер.

Локатор гимнарха — высокоточный и совершенный «прибор», запатентованный самой природой, который может различить предметы одной формы, но разной электропроводности. Этим гениальным «изобретением» эволюции заинтересовались многие исследователи, в том числе и военные конструкторы. Они считают, что разгадка электролокации гимнарха поможет им решить задачу по эффективному обнаружению вражеских подлодок по изменению искусственно созданного электрического поля. 

▍Амфисбены и черви приампулиды — землеройные машины 

Одной из важных технических задач в наше время является разработка землепроходных машин. На помощь строителям туннелей, бурильщикам приходят исследователи бионики. Учёные демонстрируют нам «технические» решения в окружающей среде. Так, взгляд науки пал на амфисбен (двуходки) из семейства ящериц и беспозвоночных червей приапулид. 

Эти животные являются превосходными «землеройными машинами», которые с лёгкостью прокладывают себе путь в толще почвы. Амфисбены, которые обитают в тропической Америке и Африке, живут под слоем опавшей листвы, глубоко в земле и ведут роющий образ жизни. В связи с таким поведением их тело стало похоже на большого земляного червя.  Узкий подземный ход рептилия прокладывает, протискивая голову вперёд и при этом расталкивая частицы земли. Далее амфисбена с силой прижимает частицы почвы своим «затылком». Быстрые повторения таких движений и обеспечивают прокладку тоннеля для животного. 

Амфисбена — «землеройная машина»

Червь приапулида также является отличной «землеройной машиной», которая владеет весьма совершенным способом передвижения во влажном грунте. Приапулиды используют гидравлический способ передвижения. В качестве бурового инструмента черви юзают короткий, шипастый хоботок. Тело приапулид снабжено множеством продольных и кольцевых мышц. Учёные зоологи посчитали, что червячки массой 2 г. развивают усилие, которое в 40 раз превышает их массу. 

Черви приапулиды:

Оба эти примера из животного мира могут послужить источником новых технических идей в разработке инновационных землепроходных машин. 

▍Организмы — индикаторы загрязнения окружающей среды 

Теперь мы перейдем к рассмотрению самых оригинальных «живых приборов» — организмов-индикаторов. По сути, это генетическое устройство, поскольку при определенных уровнях загрязнения выживут только те организмы, которые генетически «запрограммированы»(дурацкое название, знаем) на адаптацию к изменениям окружающей среды, вызванные деятельностью человека. Биологические индикаторы могут рассказать нам о многом: где накапливаются вредные вещества, как они влияют на всю экосистему и какова скорость изменений. Химический и физический анализ может рассказать нам о накопленных концентрациях веществ, вредных для биомов, но он ничего не скажет нам о тенденциях дальнейшего загрязнения и его биологических последствиях. Здесь могут помочь биологические индикаторы. Так, в систему индикаторных организмов включают самые разнообразные группы. Это и мокрицы, и дождевые черви, и даже почвенные простейшие.

Почти во всех пресноводных водоемах обитают космополитические виды, способные выживать в определенных загрязненных условиях. Это позволило создать шкалу сапробности, то есть степень загрязнения определенных водоемов или их участков органическими веществами, в которых способны выживать определенные организмы. На основе шкалы сапробности загрязнение воды было разделено на четыре зоны: полидендритная, альфа-дендритная, бета-дендритная и олигодендритная.

Изучение организмов индикаторов с позиции бионики может стать основой для создания высокоточных приборов, которые смогут быстро реагировать на изменения окружающей среды.  Однако, следует подчеркнуть, что некоторые виды животных, которые ранее не приживались в загрязненных водоемах уже вполне могут адаптироваться к жизни в них и потому они не всегда являются достоверным индикатором биологической чистоты водоемов.

▍Лист растения — солнечная батарея

В погоне за альтернативными источниками энергии учёные не обошли стороной и царство растений.

Особое внимание привлекает процесс фотосинтеза. Американским физикам удалось создать солнечные батареи, которые дешево и эффективно преобразуют атмосферный углекислый газ в углеводородное топливо, используя энергию света и воду.

Солнечный элемент преобразует свет в движение электронов, и заставляет катализатор расщеплять углекислый газ на O и CO. По словам учёных, их «лист» уже работает при обычном солнечном свете и не требует концентрированного света, как многие другие фоторасщепители воды и углекислоты.

▍Вывод:

Приведенные примеры далеко не полностью показывают разнообразие «технических решений», которыми овладели живые организмы, но могут подтолкнуть начинающих исследователей к разработке каких-нибудь футуристических проектов. 

Кто первым назовёт этот фильм в комментариях, получит бесплатный билет на организуемое нами мероприятие в г. Санкт-Петербурге, в котором звёздами выступят Станислав Дробышевский, Зелёный Кот и Упоротый Палеонтолог.

Глядишь, создадут какой-нибудь бионический дизайн супер таракана киборга и заселят этими тварями марс, а там и колонизация красной планеты, как в одном японском фильме с баталиями и фантастическими приключениями. Это шутка, конечно, но чем летучая мышь не шутит? Так или иначе, овладение тайнами биологии, что очевидно, помогает создавать энергетически эффективные машины. А далее как говорится, время покажет! До новых встреч!

▍ЛИТЕРАТУРА:

1. Бионика — И.Б. Литенецкий, 1976 
2. Introduction to Neuroscience: Behavioral Neuroscience Introduction to Neuroscience: Behavioral Neuroscience. Echolocation in Bats 
3. DOLPHIN ECHOLOCATION
   
4. Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid
   

P/s мы проводим интересное мероприятие, подробности о нём можно почитать тут.

© Habrahabr.ru