Естественные технологии: шесть старых новостей

Невипадкові аналогії
У радянський час науково‑популярні журнали любили пропагувати біоніку — науку про створення технічних пристроїв, що використовують принципи роботи живих організмів. На жаль, біоніка не дала того ефекту, на який сподівалися її ентузіасти. Раз за разом «підглянути секрети природи» за замовленням не вдавалось. Усе дело — у кардинальній різниці матеріалів, які використовують живі організми, і технічних пристроїв, а також принципово різних технологічних підходах. Ті випадки, коли жива природа і техніка задействували схожі рішення, найчастіше виявлялися не результатом «промислового шпигунства», а незалежною розробкою конструкцій, що мали схожі риси.

Проте час не стоїть на місці. Розвиток нанотехнологій і прогрес у матеріалознавстві дещо наближають технічні рішення до біологічних. Прикладом може бути відкриття, зроблене в Університеті Ексетера, Велика Британія. Виявилося, що світловипромінюючі структури на крилах африканських метеликів *Princeps nireus* подібні до тих, що на надекономних світлодіодах, виготовлених кілька років тому в Массачусетському технологічному інституті.

Розглядаючи крила метелика, вчені виявили, що вони не просто відбивають сонячне світло, а яскраво світяться, ефективно випромінюючи в певному напрямку. Детальний аналіз під мікроскопом показав, що блакитні лусочки на крилах влаштовані надзвичайно хитромудро. Вони містять натуральний пігмент, який поглинає синю частину сонячного спектра і флуоресцентує на трохи довшій довжині хвилі. Під пігментом розташована ефективно відбиваюча структура, відома в оптиці як розподілений рефлектор Брегга.

Але і це ще не все! Над пігментом є пористе покриття, пронизане майже регулярними циліндричними каналами. Розрахунки показали, що воно володіє властивостями фотонного кристалу, налаштованого на довжину хвилі, випромінювану пігментом. Фотонний кристал заважає світлу розсіюватися і поглинатися крилами, виконуючи роль мініатюрного хвилевода, який значно підвищує ефективність випромінювання¹.

Вражаюче, що до точно такої ж конструкції, що містить рефлектори Брегга і фотонний кристал, прийшли інженери, які спроектували надяскраві світлодіоди. Більше того, будова лусочок підказала вченим, що для хорошого фотонного кристалу зовсім не обов’язково суворо дотримуватись розмірів і періодичності розташування отворів.

Ще один приклад. Професор Люк Лі (Luke Lee) з Каліфорнійського університету в Берклі вважає, що в робототехніці краще використовувати очі, зроблені за фасетним принципом (як у членистоногих), а не очі‑камери (як у хребетних або головоногих молюсків). Можливо, схожість членистоногих з роботами не випадкова? І ті, і інші мають фіксований набір рухів, жорстко задані поведінкові програми і тверді покриття. Штучна модель омматидія (елементарного «очка») складається з лінзи і хвилевода, що перенаправляє світло на електронний сенсор. З таких лінз легко скласти будь‑яку поверхню; можна навіть майже повністю покрити ними сферу, забезпечивши огляд у всіх напрямках. Особливо хороші подібні системи для розпізнавання руху швидких об’єктів, що переходять від одного омматидія до іншого. Оскільки така конструкція чудово працює у випадку стрекози, чому б їй не підходити, наприклад, для автономного робота‑шпигуна? А ще можна зробити маленьку круглу таблетку, а потім проковтнути її і подивитися на себе зсередини…

Зверніть увагу, що з точки зору біоніки більший інтерес представляють відносно старі групи тварин. Їхні пристосування відточені мільйонами років еволюції. Напевно, найцікавіші з інженерної точки зору тварини — ті, які протягом тривалого часу вдосконалюються у вирішенні певного вузького завдання. Ось тоді і з’являються конструкції типу дисків на лапах геккона *toki*, крихітних ворсинок, які прилягають до будь‑яких нерівностей поверхні (будь то шорстка чи полірована), вступаючи з ними у міжатомну ван‑дер‑ваальсову взаємодію. Можливо, спеціалістам з Інституту Макса Планка в Німеччині або з Університету Манчестера у Великій Британії, зацікавленим такою ідеєю, вдасться скопіювати подібний ефект.

Проте дива можуть демонструвати представники і нових груп (правда, теж дуже спеціалізованих). Знаєте, наприклад, навіщо кашалоту його велика голова? Вона займає до третини довжини тіла кашалота і збоку здається прямокутною через розташовану над верхньою щелепою ємність з восковидною речовиною — спермацетом. У давнину цю речовину вважали китовою спермою³, звідси і назва. До речі, саме через спермацет кашалотів інтенсивно вбивали — він є надзвичайно вдалим компонентом для дорогої парфумерії, ефективно зв’язуючи різні ароматичні молекули. Те, що спермацет не має відношення до похоті, відомо давно, а його справжнє призначення стало зрозумілим зовсім недавно.

У наземних чотириногих (включаючи людину) під час занурення можуть виникати труднощі через наявність повітря в легенях. Адже перед тим, як зануритися, ми робимо глибокий вдих. Наповнені повітрям легені надають тілу позитивну плавучість, яку треба подолати при зануренні. Але варто лише інтенсивно працювати кінцівками, опуститися глибше, ситуація змінюється. З урахуванням того, що тиск десяти метрів водяного стовпа приблизно відповідає атмосферному, на цій глибині тиск подвоюється, а об’єм легенів зменшується вдвічі. Плавучість тіла стає негативною, і його тягне далі на глибину — а тут саме треба підніматися, подолуючи цей ефект.

Кашалот занурюється на два кілометри — він там полює на гігантських кальмарів. Очевидно, для цього потрібно мати грудну клітку, що витримує двістіразове зменшення об’єму (ребра людини почнуть ламатися при значно меншому стисненні). Крім того, занурення і підйом кита полегшується завдяки ємності зі спермацетом. Ця речовина переходить у рідкий стан при температурі тіла і затвердіває, суттєво збільшуючи свій об’єм при невеликому охолодженні. Перед зануренням кашалот посилює кровопостачання ємності зі спермацетом. Спермацет тане, голова кита зменшується в об’ємі і починає тягнути його на глибину. Кашалот занурюється. Коли настає час підйому, він охолоджує спермацет (то чи то знижуючи кровообіг, то набираючи в ніздрі «забортну» воду). Спермацет розширюється і збільшує об’єм голови, подолуючи жахливий зовнішній тиск. Головою вперед кашалот здіймається до поверхні, утримуючи в щелепах ослабленого кальмара…

Для батискафів і підводних човнів зміна плавучості пов’язана з витратою певних речовин — скиданням баласту, випусканням керосину з підвісних баків, витратою стисненого повітря на продувку ємностей. Кашалот витрачає лише енергію, яку отримує завдяки окисленню м’яса спійманих на глибині кальмарів киснем повітря, який він черпає на поверхні.

Інженерам є над чим працювати!

¹ Потрібно це для того, щоб, порхаючи під кроною густого африканського лісу, представники одного виду могли впізнавати один одного.
² Діаметром 0,2 мкм.{
"translated_text": "3 Уявіть, який самець! І вся ця багатість вдарила йому в голову! Назад до тексту\n \nОда паразиту\nВизнаючи словами складність природи, ми зберігаємо схильність до чорно-білого мислення, розділяючи види на корисні і шкідливі, хороші і погані, привабливі і відштовхуючі. Реальність, як завжди, виявляється складнішою. Ось лише кілька останніх новин, що стосуються теми міжвидових відносин.\nГамбурзька фірма Ovamed розробляє новий засіб для боротьби з алергією та іншими аутоімунними захворюваннями. Це рідина з личинками Trichuris suis, круглих черв’яків, паразитуючих на свинях. Припускається, що таке привабливе засіб може допомогти у боротьбі з багатьма недугами, від хронічного нежитю до астми або коліту. Справа в тому, що з перемогою над глистами наша імунна система позбавилася природних мішеней і стала реагувати на хибні сигнали, переключаючи її на власні тканини. Така боротьба з самим собою стає причиною безлічі модних у наш час захворювань. Планується, що за ті два тижні, які свинячі глисти перебувають у кишечнику людини, вони запропонують імунітету більш підходящу ціль.\nЩе благодатніше паразити впливають на лососів, зокрема на сьомгу і кумжу. Ці проходові риби нерестяться в річках, але ще мальками перебираються в моря, де живуть до досягнення статевої зрілості. Дорослі риби піднімаються в річки, мітять ікру і гинуть. Однак одна причина може зупинити механізм самознищення. Це личинки європейської перлини, колись звичайного, а тепер зникаючого двостулкового молюска, життєвий цикл якого включає паразитування на жабрах риб. Поселившись на жабрах лосося, личинки перлин виділяють речовини, що блокують годинниковий механізм смерті і навіть підвищують стійкість господаря до грибкових інфекцій. Останнє — не зайве, і ось чому.\nАвторитетний консиліум спеціалістів, що зібрався у Вашингтоні, назвав причину, винну в різкому скороченні чисельності амфібій по всьому світу. Це Batrachochytrium dendrobatidis, гриб із групи хітридиоміцетів, що вражає їх покриви. Ще нещодавно цей гриб був невідомий, а зараз, розселившись по всьому світу за допомогою людини, він загрожує майже третині існуючих видів амфібій. Відносини цього паразита з його господарями мають недовгу історію, і саме тому його поширення так руйнівне. У еволюційній перспективі гриб‑захопник має або розвинути механізми, що сприяють збереженню його ресурсів (популяцій амфібій), або зникнути (можливо, разом зі своїми господарями).\nЩе кілька прикладів неочікуваних зв’язків між різними видами. Існуванню чорного носорога загрожує Chromolaena odorata — південноамериканський бур'ян, що розповсюджується в Африці. На новому місці цей вид виявився надзвичайно життєздатним. Характер впливу на носорогів дуже простий: інвазійник витісняє місцеві види трав і змушує носорогів залишати землі, що стали для них непридатними.\nПерше місце за різноманіттям деревних рослин займає дощовий тропічний ліс. У густому лісі дерева одного виду розділені десятками і сотнями метрів. Саме тому ділянки, сплошь зарослі одним видом (Duroia hirsuta), отримали назву «сада диявола». Спеціалісти зі Стенфордського університету встановили, що ці сади «вирощують» мурахи Myrmelachista schumanni. Мурахи, що живуть у стеблах названого виду дерев, знищують паростки всіх інших видів, використовуючи мурашину кислоту як гербіцид.\nМи поступово вчимося використовувати вигоди від міжвидових взаємодій. Так, їх можна застосовувати у цілях захисту рослин. До багатьох способів захисту посівів (обробка ядохімікатами; зробити рослини токсичними або відштовхуючими для шкідників; випустити на поле природних ворогів шкідників тощо) додався ще один. Британсько‑голландський колектив генетичних інженерів вбудував у резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) ген, що приваблює хижих кліщів (Phytoseiulus persimilis), які захищають рослину від інших кліщів, що завдають їй шкоди. Таке рішення — новина лише для людини. У рослинному світі цей спосіб широко поширений. Але щоб використовувати такі рішення, треба дивитися на світ навколо нас значно уважніше, ніж ми звикли.\n \nВіртуальна реальність по‑кукушечий\nВитрати сил на виробництво потомства у птахів, як і у багатьох інших тварин (людей, наприклад), можна розділити на дві частини. Перша пов’язана з фізіологічними втратами матері (у птахів розвиток яєць, у людей — виношування плоду під час вагітності). Друга група витрат пов’язана з забезпеченням потреб зростаючих потомків (у птахів — вигодовування пташенят, у людини — виховання і забезпечення різноманітних потреб дітей). Чим складніший організм і насиченіша турбота про потомство, тим більша частка витрат другої групи. Цікаво, однак, що їх принципово можна уникнути. У простонароді цю стратегію часто називають кукушечою, а орнітологи — гніздовим паразитизмом.\nКукушка відкладає яйця в гнізда інших видів птахів. Кукушонок розвивається швидше, ніж справжні діти його господарів, і, ледь вилупившись, викидає з гнізда інші яйця і пташенят. Йому залишається лише переключити на себе турботи прийомних батьків, змусивши їх витрачати зусилля на годування єдиного урода‑переростка (зазвичай кукушка значно більша за ті види, на яких паразитує).\nВам траплялося помічати, як торкається душі дитяча потреба в турботі або вроджене вміння дітей кокетувати і «будувати оченята», привертаючи до себе увагу? Ми запрограмовані на турботу про дітей, і вони знають, які кнопки при необхідності слід натискати. Психіка прийомних батьків-кукушок устроєна простіше, ніж наша, і вони виявляються більш керованими. Візуальним ключем, що забезпечує мотивацію вигодовуючих потомство птахів, є широко відкритий просячий рот пташеняти, часто пофарбований у жовтий або червоний колір, а то й позначений контрастними плямами. Аудіальний ключ — вимогливий писк просячого корму пташеняти.\nЄвропейська кукушка використовує для управління прийомними батьками аудіальний канал. Гучні крики єдиного пташеняти змушують батьків без упину підсовувати їжу в його ненаситний рот. Але недолік гучного крику в тому, що він приваблює хижаків — куниці і ласки можуть знищити половину всіх гнізд. Японські орнітологи опублікували в журналі Science результати вивчення поширеного в їхній країні виду кукушок. Пташенята цього виду мають на крилах плями, що нагадують розкриті роти пташенят прийомних господарів. Кукушонок, що просить їжу, тремтить всім тілом, і «рти» на його крилах коливаються, як голови голодних дитинчат на тонких шиях. У напівтемряві гнізда ця картина виявляється переконливою для батьків знищеного кукушонком виводка і мотивує їх до турботи про гніздовий паразит. Таким чином, візуальна мімікрія дозволяє зменшити гучність криків, що становлять небезпеку для самого підкинутого пташеняти.\nВідкладіть у бік антропоморфні оцінки: стратегію кукушки можна назвати підступною лише в переносному сенсі. Але як не захопитися її досконалістю?\n \nІнформаційна війна з бактеріями\nОстаннім часом поширилася концептуально нова ідея боротьби з патогенними бактеріями. Які б прості ці організми не були, у розвитку інфекції значну роль відіграє обмін інформацією між ними.\nВиявляється, багато збудників хвороб здатні обирати одну з двох стратегій. Перша полягає в тому, що бактерія перебуває у «напівсонному» стані, не експлуатуючи господаря, але зберігаючи своє життя завдяки низькій активності господарської імунної системи. Друга складається в нападі на організм господаря і (у випадку «перемоги») інтенсивному розмноженні за його рахунок. Перехід від першої стратегії до другої може викликатися, наприклад, різким ослабленням господаря. А поки господар у формі, атака на нього, здійснена невеликою кількістю бактерій, призведе до їх знищення. Однак якщо бактерій багато, протиставлені їм захисні системи можуть просто задихнутися. Отже, бактеріям треба обмінюватися між собою інформацією про розмір «шайки» і починати атаку лише після досягнення певної чисельності. Так поводяться збудники найрізноманітніших хвороб, у тому числі холери, сальмонельозу, туберкульозу чи карієсу. Зручною моделлю для вивчення хімічної комунікації виявилися бактерії, що викликають світіння деяких видів кальмарів: вони починають світитися синім кольором лише після досягнення нападниками критичної чисельності.\nЯкщо перехід бактерій у активний стан є результатом обміну інформацією між ними, то, порушивши цей обмін, можна утримати збудників від нападу. У реалізації цієї ідеї можуть бути корисні речовини, вивчені в Університеті Нового Південного Уельсу (Австралія) — фуранони. Вони отримані з австралійського представника червоних водоростей Delisea pulchra. Поки що зареєстровано стримуючий вплив фуранонів на світлячі бактерії з кальмарів (що не має особливого практичного значення) і на збудників холери (що набагато важливіше).\nПри цьому використання речовин, «заспокійливих» бактерій, значно перспективніше, ніж війна з ними за допомогою антибіотиків. Якщо ріст бактерій стримується антибіотиком, захопити всі вільні ресурси може навіть потомство однієї аномальної особини, яка виявилася до нього нечутливою. А щоб бактеріальна комунікація успішно працювала в присутності речовин‑заспокійників, потрібно, щоб стійких особин було достатньо багато. Який сенс закликати до атаки, якщо тебе ніхто не чує?\n \n3D‑геном: як же воно працює?\nЄвропейський Союз виділив 2,2 млн. євро на міжнародну програму 3DGENOME. Виконує її консорціум із семи європейських партнерів, координованих з Інституту Сваммердама в Університеті Амстердама.\nЗавдання програми — визначення тривимірної структури (конформації) ДНК у ядрі клітини. У ході дослідження будуть використані новітні методи мікроскопії у поєднанні з програмними системами обробки зображень, що дозволяють реконструювати структуру супермолекули ДНК. Робота буде проводитися на клітинах людини, миші та дрозофіли (дослідники вважають, що з їхньої точки зору ці клітини принципово не відрізняються).\n\nДовжина молекул ДНК, що містяться в ядрі людської клітини, досягає 2 м. Для порівняння: та сама ступінь компактності має двадцятитриліметрова нитка, поміщена в тенісний м’ячик! Більше того, ця «нитка» не просто упакована, а інтенсивно працює: складні ферментні системи перевіряють стан ДНК і зчитують інформацію з її активних ділянок. Компактизація ДНК здійснюється на кількох рівнях, для неї важливі взаємодії між тими чи іншими ділянками самої ДНК і різними білками.\n3DGENOME — один із кроків, спрямованих на розуміння механізму управління розвитком клітини та організму. Попереднім кроком був широко прорекламований проєкт з вивчення геному людини. Хоча він завершився цілком успішно (основна частина послідовностей ДНК людини прочитана), оптимісти були розчаровані. Отримано масу цінних і цікавих фактів, проте як працює геном у цілому, ясніше не стало. На жаль, досі не зрозуміло, як пояснити всю структурно‑функціональну складність тіла і психіки людини 35 тисячами генів, що становлять близько 2 % ДНК. Зв’язок між активністю генів і клітинною спеціалізацією — надзвичайно складна проблема для дослідження. Зараз ясно, що одним із головних способів управління генною активністю є саме зміна конформації ДНК. Досліджуючи її, треба розглядати молекулу ДНК не як сукупність окремих керуючих одиниць, розділених «сміттям», а як єдине ціле, що має безліч ступенів свободи.\nЗалишається, правда, відкритим питання: чи вистачить наших здібностей до інтерпретації надскладних масивів даних, щоб зрозуміти механізм управління розвитком після виконання цього проєкту?\n \nСуслик з IR‑портом\nУніверситету Дейвіс (Каліфорнія) вперше зафіксовано передачу інформації між двома видами тварин за допомогою інфрачервоного випромінювання.\nБагато рептилій, що ведуть нічний спосіб життя, мають спеціальні органи для реєстрації теплового випромінювання жертв — заглиблення на поверхні морди, затягнуті тонкою мембраною. Так, ямкоголові змії (щитомордники, гремучники тощо), у яких ці органи розвинуті найкраще, здатні полювати в повній темряві або з закритими очима. Ховаючись від хижаків, що орієнтуються на зір, жертви можуть маскуватися під навколишнє середовище; сховати ж теплове випромінювання практично неможливо. Навіть полюючи вдень, оснащені термолокаторами змії отримують значну частину інформації про навколишнє середовище і потенційних жертв за допомогою цих органів.\n\nУ Каліфорнії гремучі змії надають перевагу пошуку молодняка суслів, оскільки дорослі особини — надто спритна і агресивна здобич. Зустрівшись з гремучою змією, суслики безстрашно нападають на неї. Дивовижно, що при цьому звірята збільшують теплове випромінювання від свого хвоста (розширюючи на ньому шерсть і посилюючи кровообіг). Цей сигнал сприймається змією, яка, ймовірно, переходить від мисливської поведінки до оборонної. Не можна виключити і того, що «гарячий» хвіст виявляється для гремучої змії хибною мішенню, по якій вона вдарить в першу чергу. Подібна реакція суслів — не автоматична, а пов’язана саме з даним видом ворогів: захищаючись від змій, позбавлених термолокатори, звірята не витрачають енергію на нагрівання хвоста. Що, загалом, логічно: до кожного треба звертатися доступною йому мовою.\n\nD. Shabanov, Andriiev H. Nesluchni analogii // Kompyuterrа, M., 2005. – № 44 (616)\nD. Shabanov. Ode to the parasite // Kompyuterrа, M., 2005. – № 39 (611)\nD. Shabanov. Virtual reality po‑kukušechyi // Kompyuterrа, M., 2005. – № 19 (591)\nD. Shabanov. Information war with bacteria // Kompyuterrа, M., 2004. – № 48 (572)\nD. Shabanov. 3D‑genom: yak zhe ono pratsiuie? // Kompyuterrа, M., 2004. – № 26–27 (550–551). – S. 11\nD. Shabanov. Suslyk z IR‑portom // Kompyuterrа, M., 2004. – № 25 (549). – S. 14"
}