Самая древняя наука

В каждой шутке есть доля правды. Есть она и в шутке академика Капицы: "Бионику часто называют молодой наукой. Это неверно. Ведь еще господь бог занимался бионикой, создавая людей "по образу и подобию своему".

Да, бионика, действительно, древняя наука. Первое, что сделал человек, когда стал воспринимать окружающее, - это наблюдать природу. Звери, рыбы, птицы подсказали робкому пока на выдумки человеку, что и как можно построить.

Человеческий род насчитывает около ста тысяч лет.

Что видел первый человек? Тихий всплеск воды в текучей реке, дуновение ветра, полет птицы, бег животного. По нашим понятиям, он жил в мире малых скоростей. А потом? И домашние животные и "живые машины" - рабы тоже были тихоходными.

Лишь много-много позже человек окружил себя миром машин, которые передвигались или вращались все быстрее и быстрее и ставили перед ним множество загадок. Отсюда, из царства сложных машин и больших скоростей, пришлось снова идти на поклон к природе, где человек подметил много преимуществ по сравнению с его собственными созданиями. Именно с этого целеустремленного "подглядывания" за природой и началась наука бионика.

Когда заявляет о себе наука, сразу добровольцы ищут первооснователей, первооткрывателей и гениальных предшественников. Вспомнили Леонардо да Винчи и Ломоносова с их моделями летательных аппаратов; великого Гальвани с его лягушкой, открывшей лапкой мир живого электричества. Подняты имена Стокса и Журнеа. Нашли материалы и о том, как двести лет назад немецкий ученый Хоффнер исследовал кожу морской коровы, которой местные жители обшивали лодки. Среди пожелтевших бумаг рукописного наследия Иоганна Кеплера обнаружили трактат "О шестиугольном снеге". Гениальный ученый впервые высказывает идеи моделирования непревзойденного совершенства в природе.

Все это и интересно, и нужно. Но не будем искать истоков. Спросим бионику, что она есть сегодня.

Некоторые считают, что бионика была узаконена в сентябре 1960 года, когда в США прошел первый ее симпозиум. Но не эта дата, не это событие определяют положение бионики. Главное в другом. Сегодня уже никто не заявляет, как когда-то геттингентский профессор Лихтенберг: "Я не могу надивиться, когда прославленные люди утверждают, что в крыле мухи заключается больше мудрости, чем в искуснейших часах".

Задачи бионики определяют по-разному. Считают, что она занимается изучением биологических систем и процессов, чтобы применить полученные знания в технике. Можно сказать, что она закладывает основы общего языка, на котором сумеют изъясняться биологи и инженеры. Рожденную в бурный период развития кибернетики, бионику признают ее дочерью и дочерью биологии. Правда, есть авторитеты, представляющие бионику как развитие одного из аспектов биомимезиса - подражания одних форм жизни другим ее формам. Защитники этой точки зрения подчеркивают, что бионику никоим образом нельзя отождествлять с кибернетикой или считать частью этой науки.

Как бы там ни было, а бионика - прекрасная школа природы для людей; канал внедрения достижений биологии в технику; новый ускоритель невиданной мощности в теории вообще, в биологии, в частности, и, конечно, в технике.

Некоторые наиболее смелые бионики даже утверждают, например, что успехи физиологии высшей нервной деятельности, достигнутые на рубеже XX века, - победа, одержанная человечеством на дальних подступах к автоматическому производству.

Что же? Может быть, и дозволительно утверждать сегодня такое с позиций бионики. Она с каждым днем удивляет все больше и больше.

У человека пять видов ощущений: зрение, осязание, слух, вкус, обоняние. Есть у человека еще чувство боли, мышечное чувство, чувство тепла и холода, равновесия и другие.

Бионика показала, какая поразительная, более богатая, чем у человека, чувствительность у некоторых животных. Механизмы их ощущений, их живая "техника" озадачивают ученых.

Гремучая змея может уловить разницу в температуре, равную тысячной доле градуса.

Некоторые рыбы обнаруживают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре раствора. Это все равно, что уловить присутствие тридцати граммов вещества, растворенного в Аральском море.

Тропические виды летучих мышей, пользуясь ультразвуком, "засекают" съедобную рыбу под водой.

Есть бабочки, у которых специальное покрытие защищает их от ультразвуковых локаторов летучих мышей.

Крысы ощущают радиацию. Отдельные виды микробов и бактерий быстро реагируют на слабое изменение ее уровня. А обыкновенный черный таракан радиацию видит. Это установили, введя ему в глаз электроды.

Глубоководные рыбы воспринимают чрезвычайно малые изменения напряженности электрического поля. Например, они улавливают изменение плотности тока менее чем в одну стомиллиардную часть ампера.

А угри - темно-зеленые рыбы длиной около двух метров - могут выпускать электрический заряд напряжением в 600 вольт!

Комар при укусе развивает удельное давление до одного миллиона килограммов на квадратный сантиметр. Для сравнения: гиря в шестнадцать килограммов при основании в четыре квадратных сантиметра дает удельное давление всего в четыре килограмма на квадратный сантиметр.

Нильская рыба мормирус - по-русски ее название переводится как длиннорыл - обладает электрическим органом. С его помощью она электромагнитными колебаниями прощупывает свой путь в воде.

Пчелы, вероятно, видят любое движение. У них не глаза, а "лупа времени". Кино для пчел пришлось бы показывать со скоростью не 24 кадра в секунду, как нам, а восемьсот.

Поражает умение животных ориентироваться. Голуби безошибочно находят путь к своему гнезду. Морские черепахи уплывают в море за несколько тысяч километров, а потом через каждые три года возвращаются на прежнее место побережья для кладки яиц.

Удивительными способностями обладают некоторые насекомые. Вот, например, богомол. Его мозг, как счетная машина, быстро и безошибочно за двадцатую долю секунды координирует все сигналы, и богомол стремительно хватает добычу.

Личинки одной разновидности древесного жука, чтобы не замерзнуть в зимнюю стужу, вырабатывают... "антифриз".

А изучение Петрокла, бабочки из семейства Морфо, привело к еще более неожиданному: у них обнаружили элементы голограммоподобных структур.

Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи сделать своими руками то, что уже создала природа? Ведь мы сегодня живем в мире реактивных самолетов и космических кораблей, атомных машин и вычислительных устройств. Здесь надо быть зорким, быстрым, порой нужны гибкость и умение, которых нет у жестких и ломких искусственных созданий. Ко всему прочему, мы не можем и не хотим ждать, по примеру матери-природы, достижения совершенства через миллиарды лет.

Говорят, исследовать - значит видеть то, что видели все, и думать так, как не думал никто. Конечно, это верно. Но в наше время приходится и видеть то, что никто не видел.

У бионики есть символ - скальпель и паяльник, перевитые интегралом. Этот союз физиолога, техника и математика позволяет увидеть то, что никто не видел раньше.

Сравнительно нетрудно было, наблюдая за работой паука, ткущего паутину, попытаться "сплести" висячий мост. А вот как заглянуть внутрь живого? Образно говоря, с помощью скальпеля.

Специалисты утверждают, попытки понять функции различных частей тела, в первую очередь хорошо различимых органов, имеют длинную историю. Дети очень рано узнают, что глаза необходимы для зрения, и немного позже, что уши нужны для слуха. Они устанавливают это, наблюдая результаты незамысловатых экспериментов: закрывают глаза и затыкают уши. Что касается таких органов, как сердце, то его функция не столь очевидна. Этим можно объяснить возникновение некоторых странных идей в древней медицине. В разное время сердце, желудок и печень считали вместилищем души и мысли, а Аристотель мозгу приписывал функцию охлаждения крови.

Но скальпель, рассекая, умертвляет. А нам надо знать, как функционирует живое, представить его в работе.

Помогает интеграл.

Как? Абстрактный интеграл и трепетная жизнь?

Да, абстрактный интеграл и трепетная жизнь! Прошли те времена, когда физики и математики изучали природу так, будто бы нет жизни на Земле. Они уже давно интегралом открывают замки от тайников жизни. Даже говорят, что сегодня цель не только в том, чтобы математизировать биологию, но и биологизировать математику.

Чтобы знать связи только одной функции организма, ученый должен поставить многочисленную серию экспериментов. Но случается, и довольно часто, что биологу недостаточно знать, как протекает тот или иной процесс в организме. Надо выяснить и количественное соотношение, при котором отдельные элементы вступают во взаимодействие.

Математики предлагают биологам воспользоваться их методом: выразить все зависимости в формулах и "просчитать" процесс. Но количественный анализ требует длинной вереницы чисел, и поэтому на помощь приходит электронная вычислительная машина. Ну а техника? Старый заслуженный паяльник?

Обратимся к нейрофизиологии. До сих пор работа мозга для ученых - тайна за семью печатями. И чтобы выяснить, "за что же в ответе" тот или иной участок мозга, нейрофизиолог вынужден этот участок либо удалить из общей доли, либо, наоборот, "подхлестнуть" его деятельность, стимулировать.

И здесь нейрофизиолог очень похож на инженера, который при отладке мотора пробует удалить запальную свечу. Ответная реакция на такие действия следует незамедлительно: "чихание", потеря мощности, шум, вибрация.

Точно так же реакция не заставляет себя ждать, если нейрофизиолог удалит у животного часть мозга. Так же, как в случае с машиной, дефекты будут всегда определенными, ярко выраженными: нарушение двигательной регуляции или памяти, появление дефектов зрения или слуха...

Всякое начало трудно - эта истина справедлива для каждой науки и для бионики тоже. Но мы больше уже не дети. Мы теперь не путаем работу мозга с работой печени, не восхищаемся движением пальцев, локтя, плеча. Внутреннее устройство живой мускулатуры, нервной ткани, по которой идут сигналы, команды, где и как они вырабатываются, - вот что нас интересует.

Главная суть сегодняшней бионики - познание единицы живого. Отсюда ведут все пути и для изучения нервной системы, и для изучения органов чувств, и для изучения всех особенностей структуры организмов.

Задумывались ли вы когда-нибудь над поведением животного? Конечно, да. Но уверен, что мало кому приходила в голову связь между поведением и нейрофизиологическими процессами. А это часто вопрос жизни или смерти. Когда животному грозит внезапная опасность, у него нет времени для размышлений или, как теперь принято говорить, для программирования поведения. Доли секунды могут отделять его от рокового конца.

Бионику интересует нервный механизм при такой ситуации, поскольку реакция поведения тесно связана с определенными нервными реакциями. Вероятно, в столь сложной работе участвует великое множество нервных клеток. Очень трудно установить связь между отдельной нервной клеткой и нервной системой в целом. Один только мозжечок, координирующий и настраивающий работу центральной нервной системы, содержит чуть ли не 100 миллиардов нервных клеток!

К проблеме подбираются исподволь. Выбирают для исследования животное с малым количеством нервных клеток, следовательно, с малым числом возможных комбинаций возбуждения. Ученые полагают, что различные системы организма используют разные принципы для опознавания приходящей информации. Значит, многое могут сказать не только органы чувств, но и другие биологические структуры даже на молекулярном и клеточном уровне.

Широк круг исследований, которыми занимаются сейчас советские ученые-бионики. Здесь и модель зрительной системы человека, и нервные механизмы эхолокации у летучих мышей, и способы сигнализации в стае рыб, и надежность мозга, и роль больших молекул в механизме памяти, и теория подъемной силы кальмара, и "амортизация" суставов конечностей, и механизмы восприятия запахов, и автоматика движений крыла птицы...

Кстати, если бы мы знали раньше о значении на крыльях стрекозы так называемых птеростигм, то избежали бы долгих и бесплодных поисков и немалых человеческих жертв при разработке противофлаттерного устройства у самолета. А разве это только один пример?!

Все это - классика бионики, это вошло в ее научный фонд и это становится широко известным и скоро перестанет поражать.

Но коль у бионики такое удивляющее начало, каким может быть дальнейший путь? Вероятно, бионика больше, чем что-либо, поможет биологии стать лидером современного естествознания. И тогда бионика, безусловно, "перехватит" технику у физики.

Вот биоэнергетика. Она ищет способы получать электроэнергию от биохимических топливных элементов, то есть непосредственно от организмов: за счет мышечной работы, или тепла тела, или же от энергии движения крови, химической активности. Вот жучки-светлячки - это целая биохимическая фабрика, где сложнейшие химические реакции дают свечения. А за счет реакций внутри организма обезьяны можно получить энергию для работы регулятора сердца. Пока живые топливные элементы применяют в спорте и медицине. Но это пока...

Бионика подсказала одну из великих идей будущего - идею биологизации производства: незачем пропадать даровым "машинам" и "приборам" природы. Давно известно, что химический состав растений может указать на присутствие полезных ископаемых. Мед пчел - "сладкая карта", говорящая геологам о залежах руд в районе сбора нектара. В морях и океанах морские животные, водоросли, бактерии, микробы накапливают в организмах химические элементы. Нельзя ли их заставить добывать ценные вещества для человека? Созданы уже живые фабрики, где получают антибиотики, витамины, аминокислоты, белки, жиры. Идут усиленные поиски биологических средств защиты от опасных излучений. Надеются построить живые фильтры для очистки воды, воздуха и почвы от радиоактивности.

И хотя теперь много говорят об успехах бионики, мы должны признать, что нет еще открытий, которые вплотную приближали бы нас к умению строить неживое как живое. В неживой природе увеличение сложности приводит к понижению устойчивости. А в живой природе сложное очень устойчиво. Организм в целом по устойчивости выше каждого элемента в отдельности. Вот почему живое способно к выживанию.

Мы часто сравниваем созданные нами приборы с живыми существами и видим, как мы еще в своем творчестве далеки от природы. И возник лозунг: "От живых прототипов к живым элементам". Нечего, говорят некоторые специалисты, пытаться приблизиться в совершенстве "второй" природы к первой. Лучше взять сами биологические системы, а не их принципы, и встроить их в машину или прибор.

Речь идет об использовании живой ткани и живых органов в качестве элементов управляющей и вычислительной техники. Глаз таракана хорошо улавливает направленное инфракрасное излучение. Но как вставить его в систему самоориентации спутника Земли?

Интересно, что во взаимосвязи биологии с техникой есть и обратное направление: от техники к биологии. Другими словами: не от формулы жизни к формулам машин, а наоборот, от формул машин к формулам жизни.

Об этом говорил академик Иоффе - проницательность его просто удивительна. На вопрос: используют ли живые организмы те средства, к которым приходит техника, например особые свойства и преимущества полупроводников? - он отвечал, что между механизмом биологических процессов и работой полупроводниковых приборов можно ожидать близкой аналогии. И доказывал на примере фотосинтеза некоторую связь между мертвым кристаллом и живым листом.

Вряд ли приходится сомневаться, что первой стадией фотосинтеза растений служит фотоэффект: сообщение светом энергии одному из электронов хлоропласта и отрыв его от своего атома. В результате получается ионизированная молекула - свободный радикал, вызывающий самые мощные химические реакции. Фотоэффект - это звено, связывающее биологические процессы с полупроводниками.

Вернемся к символу бионики: скальпелю, паяльнику, интегралу - трем китам, на которых стоит ее здание. Они, как мы знаем, олицетворяют и технику, и биологию.

Естественно, возникает вопрос, кто должен делать бионику - инженеры или биологи? Нет сомнения, чтобы заниматься бионикой, нужно хорошо ориентироваться и в технике и в биологии. И лучше, когда эти знания, по убеждению самих биоников, в одной голове, а не в одной комнате. Ведь необходим совершенно новый образ мышления, который бы в равной мере устраивал и инженера, и биолога.