Как движутся примитивные существа?

Более двух с половиной веков назад из Швейцарии в Голландию приехал молодой человек. Только что получив университетское образование и проявляя интерес к естествознанию, он, нуждаясь в деньгах, решил наняться в гувернеры к одному графу. Эта работа оставляла ему время для проведения собственных исследований.

Абраам Трамбле (1710–1784) швейцарский естествоиспытатель. Открыл фототаксис – стремление безглазых животных к свету; регенерацию – способность восстанавливать утраченные части организма; размножение почкованием; особенности движения «пресноводных полипов» – гидр. Способствовал переходу в науке от описания наблюдаемых организмов к активному экспериментированию над ними.

Звали молодого человека Абраамом Трамбле. Его имя вскоре стало известно всей просвещенной Европе. А прославился он, изучая то, что было в прямом смысле слова у всех под ногами, – весьма простые организмы, водившиеся в лужах и канавах. Одно из этих живых существ, которых он тщательно рассматривал в капельках зачерпнутой из канавы воды, Трамбле принял за растение. Это были зеленые трубочки, длиной около сантиметра, с венцом из щупалец на одном конце. Но однажды Трамбле обнаружил, что трубочки сокращаются и удлиняются, а затем был поражен, заметив, что они «шагают».

Все это позволило исследователю отнести их к животным. За свой внешний вид (существа напоминали мифологических чудовищ с девятью головами), они получили название «гидры». На рисунке вы можете увидеть, как причудливо они передвигаются, словно совершая кульбиты – акробатические прыжки через голову.

С гидрами связано много интереснейших биологических находок, однако еще сравнительно недавно о мире живого было известно так мало, что о строении и поведении многих существ можно было лишь фантазировать.

К сожалению, несмотря на то, что открытия Трамбле вошли в «багаж» каждого биолога, его вспоминают нечасто. Лишь во второй половине XX века труды ученого были переведены с французского на английский язык. Однако и сейчас обращение к ним может многому научить современных исследователей. В частности, не подскажут ли наблюдения и рисунки, описывающие движения гидры, новое техническое решение какой-нибудь задачи? Например, как обеспечить перемещение по протяженным плоскостям космических аппаратов или корабельных корпусов под водой – когда надо обследовать их поверхность, что-либо отремонтировать или разместить там приборы?

Чья «походка» лучше?

Почему такое внимание инженеров и конструкторов привлекают способы хождения? Потому что, как это ни странно, легче оказалось построить самолеты и подводные лодки, чем эффективно работающие ходячие машины. Но зачем они нужны, спросите вы, если изобретены и отлично действуют машины колесные и гусеничные? Зачем мучиться, когда создано столько видов автомобилей, тракторов и танков?

Пафнутий Львович Чебышев (1821–1894) – российский механик и математик. Знания, накопленные при создании теории машин и механизмов, использовал при конструировании уникальных устройств, в том числе – «стопоходящей машины», изображающей движение ног лошади, и «гребного механизма», имитирующего движение ног гребца.

Дело в том, что далеко не все из них могут двигаться по мягкому грунту, преодолевать рытвины и ухабы на пересеченной местности. Поэтому в промышленности и строительстве, в сельском хозяйстве и военном деле могли бы найти применение машины на ножных опорах. Они могут пригодиться и в будущих исследованиях других планет. Ведь такие машины могли бы выбирать точки для лучшей опоры, регулировать крен и перешагивать через препятствия.

Чтобы они отвечали всем этим требованиям, нужно было очень внимательно исследовать способы устойчивой ходьбы. Обращение к четвероногим животным, например лошадям, выявило, что они не лучший образец для подражания. Ведь для сохранения равновесия во время неторопливого движения им необходимо в каждый момент иметь минимум три точки опоры, не лежащие на одной прямой.

Взгляните на стул или табурет и представьте, что он начал двигаться. Сколько ног он сможет одновременно приподнять при медленной ходьбе? Наверняка вы почувствуете сложность задачи, которую приходится «решать» той же лошади. Она выходит из трудного положения благодаря постоянному переносу центра тяжести в зону устойчивого равновесия, образованную ногами-опорами.

Лошади, как и многие другие четвероногие, могут и бегать. При этом в какие-то моменты все четыре ноги отрываются от земли. Но такой способ перемещения, при котором быстрые движения ног не позволяют постоянно «падающему» животному свалиться, для неспешно ходящих машин не годится.

После многочисленных попыток создания так называемых стопоходящих машин был выбран иной, но тоже подсказанный природой вариант. Наиболее подходящей «моделью» оказались шестиногие насекомые, например тараканы, или восьминогие пауки. Попеременное передвижение лапок таракана «по три» позволяет опирающимся на землю конечностям поддерживать необходимое равновесие. Именно над созданием подобных многоногих управляемых человеком или автономных машин-роботов работают сегодня конструкторы. Одной из них, вполне удачной и очень необходимой стала модель робота, способного передвигаться внутри ядерных установок или трубопроводов. Еще одна сфера применения многоногих устройств – их использование вместо саперов для обезвреживания огромного количества мин, остающихся в зонах военных конфликтов.

Легко ли догнать кенгуру?

Кому из вас не приходилось мечтать о семимильных сапогах, которые не раз встречаются в сказках! А, может быть, вы видели фантастический фильм «Прибытие», где инопланетные существа, внешне ничем не отличающиеся от людей, неожиданно могли менять форму ног и скакать, как кузнечики – коленками назад? (Кстати, высота прыжка кузнечика достигает пяти метров.) Что ж, и такую экзотическую возможность передвижения не упустили из виду изобретатели.

Кого вы назовете, если вас спросят о животных, умеющих прыгать? Скорее всего, зайца или кенгуру. Способность двигаться прыжками, отталкиваясь и приземляясь на крепкие задние ноги, обеспечивается очень четким согласованием наклонов туловища и перемещением нижних конечностей. Такое движение, оказывается, возможно осуществить и технически.

Не так давно был популярен спортивный снаряд, напоминающий своими очертаниями букву «Т». На его основании укреплялась пружина, опирающаяся на подобие копыта. Такая конструкция позволяла человеку, держась руками за верхние концы перекладины, довольно резво прыгать, правда, после некоторой тренировки.

А теперь вообразите, что вместо человека на похожем устройстве устанавливается автоматическая система регулирования наклона и силы толчков. Эта машина, умеющая сохранять равновесие только в процессе прыгания – в динамике, в движении, – была создана и очень напоминала своим «поведением» кенгуру.

Следующим шагом стало появление механизма, который опирался на пружинящие складные «ноги» и уже не только приблизился внешне и по способу перемещения к кенгуру, но и превосходил его по коэффициенту полезного действия. Иными словами, подобная конструкция была более экономной в расходовании сил, нежели ее природный аналог.

Она могла бы пригодиться не только для спорта или развлечений. Так, в нашей стране была построена вполне работоспособная модель прыгающего автомобиля. Вращающиеся внутри его опор грузы то прижимали их к земле, то приподнимали. При определенной скорости вращения опоры-башмаки начинали подпрыгивать, совершая при этом небольшие перемещения вперед. Такой автомобиль довольно плавно двигался, легко останавливался, но, к сожалению, сильно вибрировал.

Впрочем, поиски новых вариантов прыгающих машин не прекращаются. Конструкторам не дают покоя поразительные возможности живых организмов. К примеру, древесные кенгуру, проводящие большую часть времени на деревьях, способны безбоязненно прыгать на землю с высоты 18 метров! Что уж говорить о блохе, которая может без устали скакать трое суток, совершая до шестисот прыжков в час! Сравнительно недавно ученые установили, как действует этот природный «механизм», позволяющий при взлете достигать гигантских ускорений – в тридцать раз больших, чем испытывают космонавты при запуске ракеты с Земли!

В общем, здесь живой мир дает рукотворному, как говорится, большую фору…

Что важнее: скорость или сила?

А кто из ныне обитающих на Земле четвероногих самый быстрый? Это, без сомнения, гепард – дикая кошка, способная достигать скорости 100 километров в час. Необыкновенно изящен его бег: гепард словно вытягивается в стрелу, стремительно несущуюся над землей.

Исследователей давно интересовал вопрос о том, как удаются животным столь быстрые движения. Совсем недавно благодаря раскопкам обнаружены следы динозавров, оставленные ими во время охоты. Расчеты показали, что даже самые быстрые из них вряд ли превосходили в скорости скаковую лошадь, а наиболее крупные бегали примерно так же «резво», как и современные носороги. (Это, кстати, не так уж и мало: носорог может догнать быстро бегущего человека.)

Тем не менее впечатление о неуклюжести и малоподвижности крупных животных подтверждается простыми вычислениями. Если бы все размеры животного увеличились, скажем, в пять раз, то его масса возросла бы в 125 раз. Для того чтобы удержать такую махину, кости должны были бы увеличиться непропорционально, то есть их толщина изменилась бы не в пять, а примерно в 11 раз.

На это обратил внимание еще знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей: «Достигнуть чрезвычайной величины животные могли бы только в том случае, если бы кости их изменились, существенно увеличившись в толщину, отчего животные по строению и виду производили бы впечатление чрезвычайной толщины».

Итак, ясное представление о действии законов механики позволило понять, почему наземные животные не достигают «великанских» размеров. Из-за своей неповоротливости они оказались бы нежизнеспособными. Подсчеты современных ученых говорят, что животное массой больше ста тонн не может существовать в условиях земной гравитации. И впрямь, сегодня мы видим, что самым крупным сухопутным животным оказывается не такой уж огромный слон.

Галилео Галилей (1564–1642) – итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Заложил принципы механики, провел исследования движения тел животных. Утверждал, что в основе науки – опыт и практика, считал, что «человеческий разум познает некоторые истины столь совершенно и с такой абсолютной достоверностью, какую имеет сама природа».

А как же кит, масса которого во много раз превышает массу слона? Дело в том, что на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая (архимедова) сила. То есть вода как бы ослабляет действие земной гравитации, позволяя киту и другим обитателям морей и океанов достигать огромных габаритов при относительно тонких костях скелета.

Правда, подвижность и большие скорости движения связаны не только с размерами животных, но и со способом крепления их мышц к костям. Еще в XVII веке естествоиспытатели разобрались в кажущейся неэффективности их соединения. На рисунке той поры можно увидеть, что сокращение двуглавой мышцы плеча приводит к усилиям, многократно превышающим вес поднимаемого груза.

Но природа позаботилась о другом: проигрывая в силе, мы, как и другие животные, выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут быстро сокращаться, однако их небольшое перемещение вызывает заметное передвижение всей конечности. Подумайте, что важнее: развивать большую скорость, обладать подвижностью, свободой перемещений или всему этому предпочесть одну неповоротливую силу? Природа сделала свой выбор, и человек следует ему при создании быстроходных механизмов.

Изобрела ли природа колесо?

Долгое время считалось, что природа обошла своим вниманием это чудо – изобретение, не испытывая в нем необходимости. И лишь человек, обнаружив преимущества перемещения с помощью колеса, освоил его настолько, что трудно представить себе сегодня какой-либо механизм, где бы оно не применялось.

Кое-кто из ученых связывал отсутствие природных аналогов колеса с тем, что не было подходящих дорог. Ведь пробираться даже по узким улочкам древних городов, а тем более по каменистым неровным тропам на четырех ногах было проще, чем на любом колесном средстве передвижения.

Но есть и другая точка зрения. Что, например, представляет собой гонимое ветром растение перекати-поле? Колесо, хоть и довольно сложное. Сторонники такого взгляда даже утверждают, что на других планетах, где могла бы зародиться жизнь, конструкция в виде колеса вполне могла быть создана в ходе эволюции.

Правда, эти споры касаются только организмов, видимых невооруженным глазом. А вот когда человек смог заглянуть вглубь живой материи, выяснилось, что идея колеса отнюдь не чужда природе. Да еще какого колеса – мотора!

С помощью специального микроскопа удается разглядеть, как устроены жгутики некоторых бактерий, к примеру, кишечной палочки, помогающие им передвигаться. Один из концов жгутика словно бы вставлен в мембрану – оболочку бактерии. Электрические заряды колец, расположенных на конце жгутика и на мембране, взаимодействуют друг с другом так, что жгутик начинает вращаться вокруг своей продольной оси, напоминая обычный электромотор.

Кручение жгутика обеспечивает несколько типов его движений, причем скорость вращения «моторчика» достигает десятков оборотов в секунду.

Конечно, такое открытие и само по себе было чрезвычайно интересным. Но исследователи не остановились на этом, провозгласив: «Ну вот, и природа тоже изобрела колесо!» Цель их дальнейших кропотливых разработок – создание двигателей микромашин, способных, например, доставлять лекарства точно по назначению, то есть к нуждающимся в них органам и тканям.

Конструкторы этих невидимых миниатюрных устройств уверены, что надежды, двигавшие создателями фильма «Внутренний космос», в котором по кровеносным сосудам человека сновали подобные машинки, близки к осуществлению.

Для чего рыбе хвост?

«Моторчик», помогающий бактериям передвигаться в жидкости, вряд ли подошел бы более крупным организмам. Вот, скажем, рыбы – при всем их разнообразии у большинства имеются хвост и плавники, которые и приводят рыб в движение.

Но как по-разному это происходит! Да и почему, собственно, плавники и хвост должны служить двигателями? Какие именно движения ими должна совершать рыба? Есть свидетельство того, что эти вопросы интересовали жителей Древней Индии около двух с половиной тысяч лет назад. Пытались объяснить способы передвижения рыб и древние греки, например, Аристотель. Но вплоть до конца XIX века многое в этой проблеме продолжало оставаться загадкой.

Лишь появление киносъемки позволило внимательно, по кадрикам, разглядеть, что же конкретно происходит во время плавания рыбы.

Изгибая туловище, рыба возвращает его затем в прежнее положение, отталкиваясь от воды таким образом, что создается сила, действующая на нее одновременно вбок и вперед. Боковую силу рыба компенсирует попеременным движением влево-вправо, сохраняя при каждом «вилянии» направленную вперед силу.

Но это лишь общая картина. Взгляните на рисунок. Хотя на нем представлена лишь небольшая часть великого множества рыб, видно, насколько различны их формы. Связано это с тем, что внешний вид конкретной рыбы зависит от ее образа жизни. Длинное туловище щуки, состоящее примерно на шестьдесят процентов из мышечной ткани, и сильный хвост дают ей возможность делать резкие броски, заставая добычу врасплох.

Тунец, изображенный на другом краю диаграммы – великолепный представитель рыб, совершающих так называемое крейсерское плавание. В поисках добычи ему приходится преодолевать огромные расстояния, поэтому у тунца обтекаемая форма, создающая небольшое сопротивление, жесткое тело и узкий хвостовой плавник, обеспечивающий сильную тягу.

А вот легко маневрирующей рыбе-бабочке для того, чтобы сновать между расщелинами рифов, не обязательно развивать большую скорость и делать броски. Поэтому у нее округлое тело и мягкие плавники, приспособленные для движения на малых скоростях.

Такая «специализация» рыб подсказывает форму подводного судна в зависимости от его предназначения. Существуют проекты кораблей с изгибающимся корпусом, проведены испытания машущих двигателей, превосходящих по тяге обычные. Но пройдет, наверное, еще немало времени, прежде чем мы увидим в портах корабли, перенявшие способы перемещения рыб.

Почему плавает кальмар?

Проектируя подводные корабли и автоматы, конструкторы, естественно, изучали способы передвижения обитателей морских глубин. Но, к сожалению, создать транспортное средство, которое воспроизводит все движения, совершаемые, например, рыбами, пока невозможно. Обеспечить гибкие движения прочного жесткого корпуса, выдерживающего огромное давление воды, весьма непросто. Поэтому двигателем подводных лодок и батискафов еще остается, как и у надводных кораблей, гребной винт.

Однако «оперение» корабля может включать в себя приспособления, похожие на плавники рыб. Они позволяют стабилизировать движение судна, например подводного, а также изменять направление его движения в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.

Для того чтобы производить какие-либо работы под водой на большой глубине, оператору, находящемуся внутри подводного аппарата, необходимы вынесенные наружу «руки» (манипуляторы). Их создание – довольно хитрая задача, кстати, давно решенная природой. Аналогом таких манипуляторов обладает кальмар, имеющий два длинных щупальца с присосками, с помощью которых он охотится за рыбой.

Гигантские кальмары, обитающие в глубине океана, долгие годы были мало известны, лишь время от времени с приходящих в порты кораблей поступали сообщения о замеченных в океане морских чудовищах. Прошло немногим более ста лет с тех пор, как впервые удалось обнаружить это животное, и все равно оно оставалось полумифическим существом. В первую очередь поражали размеры кальмаров: длина со щупальцами – до 20 метров, а масса – до 450 килограммов. Даже сейчас, когда изучено немало их экземпляров, многое в них остается удивительным.

Рассмотрим, например, как осуществляется реактивный принцип движения кальмара в воде. На рисунке можно увидеть небольшую воронку вблизи его глаза, служащую для выбрасывания воды. Она может поворачиваться, поэтому кальмар свободен в выборе направления движения. Но как происходит всасывание кальмаром воды?

Оказывается, во время движения давление обтекающей туловище кальмара воды меняется таким образом, что в области, отделяющей голову от туловища, где и происходит всасывание, оно ниже, чем у хвоста. И вода как бы сама втягивается внутрь.

Создать такой непростой «механизм» для мягкотелого, не обладающего жестким скелетом животного – сложная проблема, с которой природа справилась задолго до открытия законов гидродинамики. И она наверняка предложит нам возможные технические решения других задач, возникающих при конструировании подводных машин.

Как снизить сопротивление воды?

Конечно, для быстрого движения в жидкой или газообразной среде важны подходящая – обтекаемая – форма тела и «двигатель», обеспечивающий достаточную силу тяги. Но как уменьшить сопротивление воды, возникающее из-за трения тела о близлежащие слои жидкости или газа?

Решая эту задачу, ученые обратили внимание на рыбью чешую. Может быть, в форме чешуек скрывается разгадка того, как рыбам удается преодолевать сопротивление движению?

Действительно, при обтекании водой этих небольших выступов из-за крохотных перепадов давления спереди и сзади них возникает как бы проталкивание назад приповерхностного слоя. Той же цели служат и жабры, которые, как выяснилось, нужны не только для дыхания под водой. Выталкиваемая ими вода дополнительно смещает назад близлежащий к коже рыбы слой жидкости. Все это способствует улучшению обтекания и уменьшению сопротивления.

Не менее интересен и слой слизи, покрывающий рыбу. Попробуйте удержать ее в руках сразу после того, как выловили. Недаром говорят: «скользкий, как рыба»! Выяснилось, что этот слой представляет собой полимерное соединение, способное как бы разжижать воду.

Когда попытались оснастить подобной «чешуей» со смазкой корпуса судов, выяснилось, что повысить таким образом их скорость возможно, но установки для этого слишком дороги и сложны, а выделяемые в воду искусственные вещества зачастую опасны.

Тем не менее это техническое решение нашло применение при эксплуатации водопроводных труб. Добавка специального, на этот раз, конечно, безвредного вещества увеличила их пропускную способность более чем на треть. Не преминули воспользоваться изобретением природы и пожарники. Ничтожное количество полимерной добавки уменьшает вязкость воды, позволяя подать ее брандспойтом на большую высоту.

Внимательное изучение очертаний не только тел самих рыб, морских животных и птиц, но и их плавников и крыльев позволило обнаружить, что бо́льшую силу тяги или подъемную силу обеспечивают отогнутые назад – серповидные – формы. Затем это подтвердили измерения в аэродинамической трубе. Поэтому, например, использование киля серповидной формы буквально приподняло яхту во время движения и настолько уменьшило сопротивление воды, что позволило выиграть престижные гонки.

Но здесь мы переходим от движения внутри жидкости к перемещению на границе двух сред – воды и воздуха.

В чем секрет кожи дельфина?

Очень эффектно выглядят кадры документальных съемок прыжков морских животных. Разогнавшись в воде до большой скорости, они стремительно выскакивают в воздух, совершая порой при этом акробатические пируэты.

Однако в каких-то случаях эти прыжки необходимы морским животным, так сказать, для чисто практических целей. Небольшие киты и дельфины прибегают к такому способу передвижения, когда им нужно преодолеть большие расстояния. Вряд ли в течение продолжительного времени животные тратили бы свои силы на эти прыжки ради забавы. Дело в другом: попеременное вынесение туловища из более плотной водной среды в менее плотную воздушную приводит в результате к уменьшению общего сопротивления движению.

Этот способ перемещения, названный дельфинированием, эффективен лишь для сравнительно небольших животных. Для крупных (например, кашалотов) энергия, затрачиваемая на прыжок, слишком велика. Поэтому они предпочитают при дальних странствиях подводный способ плавания.

Уже давно известно, что дельфины, двигаясь под водой, экономят силы. Исследователи связывали это с особым устройством дельфиньей кожи. Сколько сил было потрачено на ее изучение! Одно время считалось, что при движении по коже дельфина пробегают волны складок, как бы подстраивая форму тела для сброса завихрений, возникающих в обтекающем его потоке воды. Были даже поставлены опыты по моделированию таких волнообразных движений на поверхности испытательных судов, и вроде бы все подтвердилось.

Впрочем, в последующих экспериментах, когда в воде буксировали пловчих, облаченных в костюмы из имитирующего дельфинью кожу материала, результаты оказались иными. Возникающие складки, напротив, увеличивали сопротивление движению.

По-видимому, секрет кроется в особой системе кровеносных сосудов, находящихся под кожей дельфина. Эта упругая система позволяет коже самонастраиваться, менять форму тела и гасить возникающие завихрения воды, благодаря чему она плавно обтекает дельфина.

В общем, вопросов здесь хватает. Тем не менее, внимание к строению кожи морских обитателей не ослабевает. Уже в девяностые годы прошлого века были проведены успешные испытания по применению материала, подобного акульей коже… в качестве обшивки крыльев самолетов. В этом случае уже сопротивление воздуха, а не воды, удалось уменьшить за счет микроскопических гребешков и канавок на поверхности прикрепляемой к крылу ленты. Ее шероховатость, как и в случае с рыбьей чешуей, не препятствовала, а помогала движению.

Кто и плавает, и летает?

Движение на границе двух сред преподносит порой удивительные сюрпризы. К примеру, совершенно уникальным способом перемещается по водной глади василиск – длиннохвостая ящерица, обитающая в озерах Центральной Америки. Она просто ходит или бегает по воде, причем порой с приличной скоростью – до двух метров в секунду.

Раскрыть тайну этих водных «пешеходов» удалось при помощи видеоаппаратуры. Когда внимательно просмотрели записи, стало ясно, почему возможно столь необычное движение. Оказалось, что василиск сперва сильно шлепает по воде лапкой, затем резко погружает ее в воду, при этом за движущейся лапкой возникает воздушный пузырек. Потом ящерица вытягивает лапку к поверхности через этот пузырек, да так стремительно, что он не успевает наполниться водой. Чем сильнее и быстрее производятся шлепки, тем больше разница давлений, действующих на лапку со стороны воды и воздушного пузырька, а значит – и сила, удерживающая василисков на поверхности.

Но этот способ передвижения нельзя отнести ни к плаванию, ни к полетам над водой. А ведь в природе есть существа, известные «талантом» двигаться поочередно в обеих средах. Это летучие рыбы. Спасаясь от хищников, летучая рыба с большой скоростью поднимается к поверхности воды. В это время она плывет – ее грудные плавники прижаты к телу, а хвост энергично работает. Резко выскочив из воды, рыба раскрывает грудные плавники, превращающиеся в крылья. Подхваченная воздушными потоками, она, как выпущенная из лука стрела, пролетает порой 150–200 метров.

Возможно, эта «манера» передвижения выглядит экзотической. Но и многое другое, подсказанное природой, сначала казалось людям неприемлемым из-за своей необычности. И все же, чутко прислушиваясь к природе, человек в конце концов находил эффективные решения, основанные на природных аналогах. Приведем лишь один пример.

Считалось, что на водном велосипеде не угнаться за спортивной лодкой. Однако благодаря умелому сочетанию движений в воде и в воздухе и использованию подводных крыльев с заимствованной у животных формой, не так давно удалось на водном велосипеде пройти дистанцию быстрее, чем при установлении мирового рекорда в академической гребле!

Как планируют драконы?

Как ни занимательны и эффектны прыжки дельфинов из воды и полеты летучих рыб, все же основным местом обитания и тех, и других остаются моря и океаны. Правда, и предки всех пернатых, как полагают ученые, вели водный образ жизни. Потребовалось длительное время, чтобы морские ящеры постепенно приспособились к жизни на земле, а затем какие-то из них научились летать.

Кстати, даже в XX столетии многие исследователи не принимали эту теорию. Действительно, нелегко было согласиться с тем, что перо археоптерикса – рептилии, жившей 150 миллионов лет назад, – практически нельзя отличить от перьев современных птиц. А под микроскопом заметно сходство даже мельчайших деталей их строения.

Несмотря на это, способность археоптерикса к полету была развита довольно слабо. Остается загадкой, зачем мелким динозаврам вообще нужны были перья, образовавшиеся из расщепившихся чешуек. Но как бы то ни было, эти существа, пользуясь когтями на концах крыльев и ног, взбирались на деревья, а оттуда могли опускаться на землю при помощи крыльев. Скорее всего, это напоминало спуск на парашюте, а затем – несколько более сложный вид движения – планирование. Иными словами, это были пассивные способы перемещения в воздушной среде.

Природа дает возможность наблюдать за такого рода полетами и сегодня. В Восточной Индии обитает летучий дракон – небольшая ярко окрашенная ящерица. По бокам у нее расположено несколько так называемых ложных ребер, между которыми имеются кожистые складки. В покое ребра прижаты к телу и ящерица ничем не отличается от своих бескрылых соплеменниц.

Однако при прыжке летающего дракона с дерева, к примеру, за бабочкой, его ребра-крылья расправляются так же, как натягивается ткань раскрывающегося зонтика стальными спицами. Теперь дракон может превосходно планировать. Добавим, что в теле этой ящерицы имеются полости, наполняемые во время прыжка воздухом, а длинный хвост служит рулем.

А теперь попробуйте представить, как расправляют свои крылья летучие мыши, белки-летяги, как некоторые лягушки во время прыжков раздвигают пальцы лапок с кожными перепонками. Все это – живые аналоги парашютов и дельтапланов.

Но оказывается, существуют еще и «летающие»… змеи! Они были обнаружены на одном из архипелагов у побережья Австралии. Забравшись на двадцатиметровую пальму, змеи бросаются оттуда в горячий песок. Вот и верь теперь словам «Рожденный ползать – летать не может!»

Может ли человек летать?

В конце предыдущего рассказа мы чуть-чуть слукавили, поставив в один ряд столь разных «летунов». Дело в том, что ни белка, ни лягушка, ни тем более змея не обладают способностью к полету с помощью взмахов своих перепонок, а летучая мышь наделена ею. Это принципиальное различие. Ведь просто планировать может, скажем, листок с дерева, а «парашютировать» – семя одуванчика. Управлять спуском уже намного сложнее, для этого надо «рулить» или «ловить» восходящие воздушные потоки. Вершина же искусства полета – умение создавать самостоятельную тягу, обеспечивающую и выбор направления движения, и его продолжительность.

Миллионы лет эволюции привели к созданию не только перепонок, но и настоящих крыльев. Причем у их владельцев – птиц – полету способствуют и легкие пустотелые кости, и специальные воздушные мешки для облегчения веса, и форма скелета, и перья, создающие при взмахах тягу и управляющие маневрами.

Владимир Евграфович Татлин (1885–1953) – российский изобретатель и художник. Работал над конструкцией орнитоптеров – летательных аппаратов с машущими крыльями, имитирующими движения птицы. Создал с учениками «Летатлин» – махолет с размахом крыльев 8 метров, в который вложил свою мечту о человеке-птице.

Нужно ли удивляться тому, что полет птиц вызывал нестерпимую зависть у человека? Возможность парить, перелетать с места на место, наслаждаться ощущением воли и простора…

Не счесть попыток создать орнитоптеры-махолеты по образу и подобию птиц, а порой и летучих мышей. Сохранились рисунки Леонардо да Винчи с изображением перепончатых крыльев, взятых за образец для махолета, известны легенды о попытках взлететь или хотя бы спланировать с помощью укрепленных на руках крыльев.

В большинстве случаев удача не улыбалась испытателям, такие полеты часто оканчивались трагически. В конце XIX века немецкий инженер Отто Лилиенталь научился держаться в воздухе непродолжительное время на парусном летательном аппарате. Но до машущего полета было еще далеко, а сам Лилиенталь погиб во время одной из очередных попыток взлететь…

Вскоре начались испытания первых самолетов – транспортных средств, оснащенных неподвижными крыльями и мотором, способных держаться в воздухе без мускульной силы человека. Вроде бы махолеты были теперь ни к чему.

Но вот парадокс: если рассчитать, сколько груза на единицу затрачиваемой энергии можно поднять при машущем полете и с помощью современного самолета, выиграет махолет. Это человеку не суждено вознести самого себя в воздух с помощью крыльев. А машине? Овладение машущим полетом принесло бы ощутимую пользу воздушным перевозкам. Поэтому попытки технически воплотить выверенное природой изобретение не прекращались и после создания самолетов.

Не прекращаются они и сегодня…

Что помогает насекомым порхать?

«Самым лучшим подарком были прозрачные крылышки, совсем как у стрекозы. Их привязали Дюймовочке на спину, и она тоже могла теперь летать с цветка на цветок». Помните эту сказку Андерсена?

Николай Егорович Жуковский (1847–1921) – российский ученый, основоположник современной гидро- и аэромеханики. Стремился за внешним несходством животных и машин увидеть общие принципы их движения. Блестяще решил сложные проблемы полета в работе «О парении птиц». Дал образец теоретического подхода к изучению биологических систем.

Большое внимание ученых, в том числе биомехаников, издавна привлекали полеты насекомых. Эти существа могут летать в любом направлении, делать резкие повороты и зависать на месте, совершать маневры, недоступные самым современным реактивным самолетам. А вертолет? – скажете вы. Но разве возможно на вертолете порхать, делать столь же точные подлеты, как бабочки – к цветкам, и садиться на абсолютно неблагоустроенных площадках?

Выдвигающиеся крылья кузнечиков и жуков, грузоподъемность пчел и шмелей, виражи стрекоз – все поражало, но оставалось непонятным. Самым обидным было то, что с помощью обычной аэродинамики – науки, применяемой при расчетах движения самолетов и вертолетов, – понять, как насекомым удается летать, оказалось невозможно. Например, даже тщательный анализ не мог объяснить их высокую подъемную силу. А не разобравшись в этом, нельзя ничегопозаимствовать.

Однако в последнее время в изучении движения этих крылатых существ наметились сдвиги. Исследователи с помощью аэродинамической трубы наблюдали за полетом крупной моли. Размах ее крылышек достигает 10 сантиметров, а частота взмахов – 26 раз в секунду. В опытах с помощью струек дыма удалось обнаружить крошечные воздушные вихри, которые вились по крыльям моли, как маленькие смерчи.

Оставалось неясным, почему возникают такие спиральные потоки. Чтобы изучить процесс в деталях, нужно было найти еще более крупное насекомое. Но где взять подобных «великанов»? Пришлось создать механическую «моль»!

Ученые воспользовались тем известным из аэродинамики фактом, что быстрый поток воздуха над маленьким объектом можно имитировать медленным потоком – над большим объектом. И вот появилась рукотворная «моль», превосходящая размерами обычную в 10 раз и намного реже хлопающая крыльями (ее изображение – на рисунке слева). Модель обошлась ни много ни мало в 60 тысяч (!) долларов. Почему так дорого? Следовало учесть, что крылья насекомых, а также птиц и летучих мышей представляют собой не жесткие, как у самолетов, а гибкие конструкции (это прекрасно видно на правой части рисунка). Во время движения они способны изменять форму, изгибаться – и в этом, как предполагали исследователи, могла крыться тайна возникновения подъемной силы. Представьте, сколько «умной» электроники пришлось «запихнуть» в модель ради такой имитации!

И вот как только крылья механической моли начинали опускаться, у их передней кромки возникали те самые крохотные вихри. Они, не отрываясь, постепенно смещались вдоль поверхности крыльев. Этими воздушными водоворотами и объяснялась высокая подъемная сила крыльев насекомого.

Но это лишь начало подробного исследования полета насекомых. Необходимо продолжить эксперименты, в том числе и компьютерное моделирование. К этим работам внимательно приглядываются военные: они с удовольствием использовали бы в качестве драконов крохотных роботов-насекомых для наблюдения за противником с воздуха.

Известно, сколько в свое время бились инженеры над проблемой загадочных вибраций крыльев самолетов, часто приводивших к авариям. А когда проблема была решена, обнаружилось, что уже миллионы лет подобные вибрации устраняются у стрекоз с помощью специального утолщения в крыле. Так, уже не в первый раз, прозевали подсказку природы. Очень не хотелось бы снова попасть впросак…

Кто на свете всех сильнее?

Насекомые преподносят сюрпризы, связанные отнюдь не только с их умением летать. Поражает, например, их необычайная выносливость. Так, жук-носорог, подобный маленькой живой бронемашине, затрачивает неимоверные усилия на то, чтобы проложить дорогу в ссохшейся почве. Масса энергии уходит у самцов жуков, ведущих между собой тяжелый бой. Сообщалось даже, что жуки способны нести груз, превосходящий собственный вес в 350 раз! Но это были, так сказать, оценки «на глазок». И лишь недавно ученые решили точно измерить усилия жуков.

К насекомому прикрепляли свинцовый грузик весом, превышавшим вес жука в несколько раз. При этом жук продолжал двигаться как ни в чем не бывало. Нагрузку увеличивали. Когда ее вес превосходил вес жука в тридцать раз, он, не спотыкаясь, шел более получаса со своей обычной скоростью – примерно один сантиметр в секунду. Даже при нагрузке, в сто раз превышающей вес жука, он умудрялся с ней справляться. Жук-носорог подтвердил репутацию самого сильного существа на Земле (разумеется, по отношению к собственному весу).

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

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 бо́льшим 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.

Очевидно, что паутина – это прежде всего средство, с помощью которого паук охотится. Поразительным образом природа заложила в него программу создания довольно сложных конструкций. Более того, для нитей, выполняющих разные функции, паук вырабатывает различные виды шелка. Одно дело – сердцевинное волокно ловчей спирали, другое – сигнальная нить, третье – нить для яйцевого кокона, четвертое – для обматывания добычи и так далее.

Многие паучьи «конструкции» буквально один к одному были использованы архитекторами при проектировании перекрытий большой площади. Возможно, вы видели похожее сооружение над огромным современным стадионом. Напоминает паутину и переплетение тросов подвесных мостов. Но дело еще и в другом.

Почему паутинки обладают столь большой эластичностью? Почему, заметно удлиняясь, нити не рвутся, а выдерживают давление ветра, натяжение от движения самого паука во время плетения сети или когда он бежит к запутавшемуся насекомому?

Оказывается, сухой шелк – основа нити – довольно жесткий материал, плохо поддающийся растяжению. Но в момент выделения шелковая нить обволакивается вязкой жидкостью, вырабатываемой пауком. Затем эта жидкость впитывает атмосферную влагу и собирается в мельчайшие капельки. Поверхностное натяжение капелек заставляет шелковое волокно скручиваться внутри них в «мотки». Растягивая нить, вы словно разматываете эти моточки, поэтому нить и может без провисания в несколько раз менять свою длину. Недаром в Индонезии из паутины до сих пор делают рыболовные лески.

Совсем недавно, в 2017 году, ученым удалось создать искусственную паутину, не уступающую по своим свойствам настоящей. Волокно из гидрогеля, состоящего из воды, оксида кремния и целлюлозы, вытягивали в тончайшие нити и давали подсохнуть. Эти нити выдерживали механическое напряжение в 100–150 мегапаскалей и были прочнее вискозы, искусственного шелка и некоторых сортов стали. А еще они могли растворяться в воде, подобно настоящей паутине.

Разработчики надеются использовать эти свойства в производстве суперпрочных тканей.

Подсказки жуков и водорослей

Порой человек умудряется очень быстро пройти путь, на который природа потратила миллионы лет. Особенно интересно сравнить результаты, когда инженеру или конструктору не приходило в голову с ней советоваться.

Взгляните на картинку, где показано, как эволюционировало искусство перекрытия сооружений, и как менялись с течением времени строение и форма жестких надкрылий жуков.

По рисункам в нижнем ряду (слева направо) заметно, что первоначально вдоль надкрылья располагались продолговатые трубочки. Затем они вытягивались, число их росло, потом уменьшалось, и сами они словно подрастали, превращаясь в то, что инженеры называют ребрами жесткости.

Еще позже эти ребра расширялись в верхних своих частях, которые в дальнейшем сливались. В итоге получилась так называемая рамная конструкция с вертикальными колонками-перемычками. Это довольно легкое и весьма прочное покрытие. Цель, которую «ставила» перед собой природа, была достигнута.

Если же проследить по рисункам в верхнем ряду за различными вариантами конструкций, создаваемых человеком, то, разумеется, полного совпадения не обнаружится. Путь, по которому шли конструкторы, изобиловал находками и неудачами. Но развитие техники привело, в конце концов, к тому же результату, которого достигла природа.

Не всегда, конечно, схожи пути развития конструкторской мысли человека и «инженерных» задумок природы. Однако, если ставятся одинаковые цели, решения удивительным образом копируют друг друга.

Когда человек выясняет, как ту или иную архитектурную проблему пыталась разрешить природа, он часто обращается к ней за советом. Интересен пример из практики одного отечественного изобретателя. Наблюдая за морским прибоем, он обнаружил, что голые камни на береговой линии испещрены ямками и царапинами, а валуны, покрытые водорослями или мхом, почти не разрушаются от ударов волн. Это привело его к изобретению защитного слоя, содержащего упругие стержни, волокна или пластинки для бетонных гидротехнических сооружений.

Не хотите ли пожить в улье?

Удивителен подарок природы – мед. Вкусный, душистый, сладкий, полезный… Но не менее удивительны и те, кто его производят. Много занимательного можно рассказать о пчелах, однако сейчас для нас наиболее важно их архитектурное мастерство.

Конечно, вы видели, а может быть, даже держали в руках соты – эти маленькие пчелиные домики. Строят их насекомые и для жилья, и для хранения меда, и для выведения потомства. А материал, из которого лепятся соты, пчелы изготавливают сами, выделяя вещество, которое после растирания челюстями и смачивания пчелиной слюной превращается в светлый и мягкий воск.

Сначала пчелы возводят в улье опорную стенку, затем на ней «моделируют» соты. Поначалу круглые ячейки в стене пчелы выскабливают изнутри под углом шестьдесят градусов. Именно такой угол обеспечивает затем сотам правильную шестигранную форму и отменную крепость.

Аристотель (384–322 до н.э.) – древнегреческий философ. Создал первую классификацию животных, определил пять основных типов чувств: зрение, осязание, обоняние, слух и вкус. Ему принадлежат сочинения «Описание животных» и «О возникновении животных». Считал, что научному объяснению всегда должно предшествовать свободное от предвзятости наблюдение.

Замечено это было еще в древности, например, Аристотелем, писавшим, что пчелиный улей настолько прочен и тверд, что его трудно разрушить даже острой палкой. Однако долгое время было неясно, почему пчелы выбрали для улья именно такую форму. Давайте попробуем воспроизвести ход рассуждений исследователей, пытавшихся разгадать эту загадку. Очевидно, что пчелам требовалось найти такое решение, чтобы и домики были крепкими, и разумно использовалось их пространство.

Из отложенных в соты яиц в течение нескольких дней развиваются куколки. Просторней всего они чувствовали бы себя в помещении округлой формы (вроде цилиндрика). Но тогда между домиками оставалось бы много свободного места, да и сами домики надо было бы строить по отдельности.

Ни квадраты, ни равносторонние треугольники, заложенные в основание ячейки, не подходят для достижения поставленной цели, поскольку куколка находилась бы в середине ячейки, оставляя пустыми ее углы.

После долгих, продолжавшихся, возможно, миллионы лет проб пчелы выбрали шестиугольник. А человек своими расчетами подтвердил, что это идеальная форма для наиболее полного использования площади. Согласитесь, что контур шестиугольника близок к кругу и почти весь объем ячейки заполняется куколкой, а общие стенки домиков ведут к большой экономии строительного материала – воска.

Архитекторы и строители уже убедились, насколько выгодны такие ячеистые элементы для сборных конструкций, и активно их применяют. Появились сотообразные плотины, элеваторы, гостиницы, жилые дома…

Почему прочны кости?

Достигнув в строительстве зданий высокого мастерства, люди, тем не менее, долгое время не рисковали строить высотные дома. Ведь строительные материалы были не настолько прочны, чтобы выдерживать огромные нагрузки, возникающие при возведении небоскребов.

К тому, о чем мы говорили ранее, обсуждая, на какую высоту поднимаются в деревьях соки, надо добавить, что ограничения на рост растений накладывает и их вес. Дерево циклопических размеров раздавит само себя.

Проблема, однако, заключается не только в прочности материала, но и в способах соединения изготовленных из него деталей сооружения. Скажем, из легких и длинных деревянных бревен можно соорудить каркасы различной формы, а вот из камня нет смысла вырубать длинную перекладину – при испытываемых ею нагрузках от собственного веса такое его применение будет совсем неоправданным.

Использование металла в строительстве довольно быстро привело к появлению так называемых ажурных конструкций. Иными словами, монтировался «скелет» здания, а уже к нему крепились остальные элементы – стены, оконные и дверные блоки, лестницы и прочее.

Сказав слово «скелет», мы не просто прибегли к наглядной аналогии. Не только медикам и физиологам известно, какой прочностью обладают составляющие его кости. Например, бедренная кость человека выдерживает нагрузку до полутора тонн (это вес автомобиля). Конечно, хорошо, что природа «сооружает» нас с таким запасом прочности. Но как ей это удается?

Сотни миллионов лет она словно ставила опыт за опытом, отрабатывая жизнеспособные «конструкции». В последние десятилетия были найдены останки нескольких гигантских древних ящеров. Сначала – сейсмозавра («сотрясателя земли»), весившего около восьмидесяти тонн. Позже – аргентинозавра ростом свыше тридцати метров и весом более 100 тонн. И маменчизавра, вес которого доходил до 120 тонн. Какие же прочные им были нужны скелеты!

Исследование костей показывает, что прочность их строения определяется в том числе и своеобразным распределением составляющих их тканей. Они выстилаются таким образом, что разносторонние – и с торцов, и с боков – нагрузки вызывают прежде всего сжатие или растяжение костей, а не их изгиб. Для сравнения вспомните: как легче сломать палку – вдоль или поперек? К тому же основная масса костей сосредоточена в их внешней части, а внутри они пористы, практически пусты. Особенно это заметно у птиц.

Такое созданное природой распределение материала удивительным образом совпадает с инженерными находками человека. Например, люди уже давно поняли, что столбы и опоры не обязательно делать сплошными, можно вполне обойтись трубами. В конструкциях различных металлических башен порой можно обнаружить буквальное повторение конструкции костей. Таково, например, устройство знаменитой Эйфелевой башни. А вот выяснилось это чуть ли не через сто лет после ее создания.

Так что теперь при постройке высотных сооружений люди уже намеренно стремятся заимствовать решения, найденные и опробованные природой.

Чья скорлупа крепче?

Помните выражение «не стоит выеденного яйца»? В этих словах кроется пренебрежительное отношение к яичной скорлупе.

А ведь это не что иное, как пример чудесной природной конструкции. Толщина скорлупы куриного яйца – доли миллиметра, но попробуйте раздавить его, сжав ладонями с концов. Не так-то легко, правда?

Недаром свое потомство «заключали» в яйца не только птицы, но и черепахи, змеи, крокодилы и даже громадные динозавры. Примером прочности может служить скорлупа страусиного яйца, выдерживающего груз в 105 килограммов.

В чем причина прочности яичной скорлупы? Главным образом в ее геометрической форме. На рисунке показано, что при внешнем давлении на скорлупу усилие передается таким образом, что сжатие скорлупы происходит в направлении, почти перпендикулярном силе. Иными словами, давление воспринимается не отдельно каким-либо участком скорлупы, а распределяется по всей ее поверхности. Поэтому сидящая на яйцах курица не расплющивает их, но в то же время удары вылупляющегося птенца изнутри сравнительно легко разрушают его обитель.

Скорлупа куриного яйца состоит из семи оболочек, причем они не расслаиваются даже при резких перепадах температуры и влажности. Это объясняется тем, что хотя слои не одинаковы по составу, некоторые их физические свойства весьма близки. Важный элемент скорлупы – тонкая внутренняя пленка, порой мешающаяся нам добраться во время еды до сердцевины яйца.

Эта пленка в свое время здорово помогла строителям. Они возводили театр, крыша которого должна была иметь форму огромной яичной скорлупы. Во время строительства по крыше пошли трещины. Что же здесь упустили проектировщики? Или природа «дала маху»?

Изучив скорлупу более тщательно, заметили, что к ней «крепится» изнутри тонкая эластичная пленка, создающая предварительное напряжение, как бы стягивая всю конструкцию скорлупы. Выход из сложного положения был найден: крышу снабдили подобной пленкой, и театр благополучно достроили.

Теперь уже не вызывают удивления ни давно используемые арочные конструкции, ни сравнительно недавно вошедшие в обиход строителей гигантские сплошные своды, напоминающие формой яйцо.

Но скорлупа – всего лишь один из образцов прочных природных оболочек.

Чем хороши складки?

Кроме куриного яйца, к естественным оболочечным конструкциям относятся, как упоминалось, и яйца других птиц, а также земноводных. Сюда же следует зачислить и твердые оболочки орехов, панцири черепах, крабов, раковины моллюсков. Да и многие насекомые могли бы похвастать крепостью своей кутикулы – так называется их внешний скелет.

Однако все это гладкие поверхности. Но в природе встречаются и обладающие большой прочностью оболочки несколько иной формы. Например, некоторые раковины напоминают развернутый складчатый веер. Эту форму не обошли своим вниманием архитекторы, издавна используя ее как деталь свода. Подобная форма представляет собой набор соединенных между собой маленьких выпуклых поверхностей, даже по отдельности выдерживающих, как та же скорлупа, большие внешние воздействия.

Чем же хороши складки? Обычный бумажный лист легко гнется даже под своим весом. Однако если мы сложим лист гармошкой, его прочность возрастет. Даже просто согнутый пополам (в виде крыши домика) лист сможет выдержать большие, чем плоский лист бумаги, нагрузки. Стоит ли говорить о том, насколько жестче он станет при сворачивании в трубочку.

Хороший пример, дающий почувствовать изменение жесткости конструкции, – «охота» на мух. Вы хотите прихлопнуть непрошеную назойливую гостью, а под рукой нет ничего, кроме газеты. Что вы предпримете? Не будете же шлепать развернутым листом! Такой удар насекомое и не почувствует. Невольно руки сами складывают или скручивают газету, – теперь уж мухе не поздоровится.

Понятно, что архитекторам приходится решать задачи гораздо сложнее этой. Однако они уже неплохо научились использовать складчатые формы. Конструкции выставочных павильонов, зданий аэропортов, театров носят на себе явный отпечаток природных аналогов – и не только створок раковин, но и свернувшихся опавших листьев, еще не потерявших упругости.

Припомните рассказ о надкрыльях жуков. Прожилки, которыми они, как и крылышки многих других насекомых, пронизаны, играют роль арматуры – железных прутьев, укрепляющих бетон. Такую же роль выполняют прожилки зеленого листа. Использовав его «конструкцию», удалось перекрыть без опор стометровый пролет, причем толщина рукотворного «листика» составила всего 4 сантиметра.

Все это – примеры подражания отобранным длительной эволюцией конструкциям, в которых необычайно высокая сопротивляемость нагрузкам достигается при крайне малых затратах строительного материала.

Кто изобрел дырчатые купола?

Прочные природные конструкции не всегда представляют собой сплошные оболочки – гладкие, как, например, у яйца, или складчатые, как у раковины. Мы уже говорили о паутинах и решетчатых внутри надкрыльях насекомых, которые также обладают завидной крепостью. Правда, они не были замкнутыми поверхностями, такими, скажем, как шарообразная скорлупа ореха.

Человек догадался сооружать купола и различной формы выпуклые перекрытия из ажурных – дырчатых – конструкций. При этом создавался как бы внешний, вынесенный наружу, «просвечивающий» скелет, а изнутри к нему крепились уже легкие сплошные конструкции.

Интересно, что среди возможных вариантов подобного рода сооружений были и обладавшие особой устойчивостью. Их форма была найдена американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером. Ее назвали геодезическим куполом, и стали широко применять при проектировании зданий. Один из таких куполов можно увидеть на рисунке слева.

Сам Фуллер указывал, что все подобные конструкции представляют собой сеть из пяти- и шестиугольников. Но еще в XVIII веке знаменитый математик Леонард Эйлер рассчитал, что для образования замкнутой сферической фигуры необходимо иметь двенадцать пятиугольников, а число шестиугольников может меняться в широких пределах. Скажем, в оболочке одной из разновидностей современного футбольного мяча можно найти двадцать шестиугольников.

Прошло не так уж много времени с начала использования в архитектуре геодезических куполов, как в природе были открыты так называемые фуллерены – состоящие из атомов углерода молекулы, форма которых в точности повторяла очертания этих куполов. Тем самым была обнаружена еще одна, помимо алмаза и графита, форма существования углерода. Вариант структуры этой молекулы представлен на рисунке справа. Сравните!

Сейчас ученые разных стран исследуют фуллерены. Необычная структура молекул, определяющая их устойчивость, объясняет и многие новые свойства построенного из них вещества.

Как видите, в данном случае человек самостоятельно подобрал строительные конструкции, которые, как выяснилось чуть позже, природа успела изобрести. Этот факт тем более ценен, что вновь подтверждает сходство результатов бессознательного и разумного поисков, – вопрос лишь в том, сколько на тот и другой уходит времени.

Какие домики у планктона?

Впрочем, ажурные замкнутые структуры природа создала отнюдь не только на молекулярном уровне. Во много раз более крупные объекты – простейшие организмы – она также давно научилась заключать в ячеистые панцирные оболочки.

Взгляните на рисунок, где показаны всего лишь три вида подобных оболочек из нескольких тысяч вариантов, созданных природой для населяющих океан микроорганизмов. Это «раковинки» представителей фитопланктона и зоопланктона, построенные из крепчайших соединений кальция и кремния.

Эрнст Геккель (1834–1919) – немецкий ученый, один из крупнейших биологов XIX века Автор книги «О радиоляриях». Изобразил первое родословное древо всех живых существ, установил закономерность: каждый организм в своем индивидуальном развитии повторяет стадии развития предков. Распространял законы живой природы на человеческое общество, которое сравнивал с живым организмом.

На необыкновенное разнообразие этих естественных конструкций, нередко называемых шедеврами природы, обращал внимание инженеров известный немецкий естествоиспытатель Эрнст Геккель. При изучении этих простейших существ очень важны два момента – структура раковины, обеспечивающая надежную защиту, а также поразительная экономия материала при построении защитной оболочки.

Исследуя строение панцирей радиолярий и других простейших, архитекторы и конструкторы разработали различные ячеистые конструкции, которые могут быть использованы при строительстве зданий и возведении мостов и плотин.

Мы уже говорили о том, что сплошные конструкции испытывают дополнительную нагрузку от собственного веса. Ячеистые замкнутые оболочки имеют значительно меньший вес, сохраняя при этом удивительную прочность. Все дело в характере взаимного расположения ячеек и ребрышек таких решеток. На рисунке показаны обладающие высокой прочностью хитроумные формы этих конструкций, которые природа путем многократных проб смогла создать задолго до человека.

Кстати, присмотревшись к изображению радиолярии, вы обнаружите, что ее кремниевый скелет как будто бы составлен из различных геометрических фигур. Любопытно, что на изображениях этих существ, сделанных в начале нашего века, можно видеть и пяти-, и шестиугольники. Иными словами, некоторые из радиолярий – не что иное, как «живые фуллерены»! Еще один ошеломляющий пример совпадений…

В чем жить на океанском дне?

А какие архитектурные идеи позаимствовал человек у морских организмов для обеспечения своего пребывания под водой? Ведь пока мы говорили лишь о том, что некоторые оригинальные формы оболочек морских обитателей он с успехом использовал на суше. Однако природа заботилась о них, учитывая среду, в которой эти организмы находятся, – океанские глубины. Немудрено, что, как только человек поставил задачу долгого пребывания под водой, он начал внимательно присматриваться к тем, для кого условия подводного пребывания были обыденными.

Однако при разработке формы аппаратов, в которых люди опускались все глубже и глубже, следовало использовать «достижения» не только движущихся под водой или зависающих в ее толще существ. Важнее обратиться к обитателям морей и океанов, живущих на дне, тем более когда встал вопрос о создании стационарных подводных поселений.

Посмотрите на конструкцию лаборатории «Преконтинент II», в которой работали акванавты под руководством знаменитого исследователя подводного мира Жака Ива Кусто. Она находилась на глубине одиннадцати метров вблизи кораллового рифа в Красном море. Легко заметить, что по своим очертаниям этот воистину подводный дом напоминает морскую звезду. Крупная американская подводная станция «Силэб», рассчитанная на размещение сорока акванавтов на глубине двухсот метров, схожа по виду с распластавшимся на дне осьминогом. Выпуклые формы, прочный корпус, большое давление закачиваемой внутрь станции дыхательной смеси позволяют выдержать внешнее давление.

Огюст Пиккар (1884–1962) – швейцарский физик, стратонавт и акванавт. Совершил рекордные подъёмы на аэростате собственной конструкции и погружения в океан на сконструированном им батискафе. Предложил отказаться от использования стали для подводных аппаратов и перейти к пластикам, а также изготовлять корпуса глубоководных кораблей и лабораторий из сферических многогранников.

Подобное подражание природным формам позволит, видимо, будущим исследователям обеспечить себе наиболее подходящие условия для обитания и на еще больших глубинах. Не зря же за месяц пребывания под водой исследователям с «Преконтинента» удалось выполнить огромный объем работ. «Море стало нашим домом», – вспоминали акванавты. Это ли не лучшая оценка их подводному жилищу!

Почему так красива бабочка?

Легко заметить, что при создании многих архитектурных сооружений на замысел зодчего влияла природа. И дело не только в том, что она подсказывала наиболее экономные решения и предлагала прочные конструкции, но и в ее сильном эстетическом воздействии. Как часто нас буквально завораживает великолепие природных объектов, и мы удивляемся, каким тонким художником может быть природа.

Важно, что внешняя красота созданных ею форм неразрывно связана с их целесообразностью. Иными словами, грубые, тяжеловесные, неуклюжие растения и животные, как вы уже убедились, нередко оказываются и менее приспособленными к жизни в меняющихся условиях. А изящная архитектура живого всего лишь отражает долгий путь перебора различных вариантов, в результате которого выиграли – выжили – именно те существа и организмы, которые сегодня радуют наш глаз.

Самые привлекательные архитектурные сооружения часто обладают симметрией. Припомните виденные вами старинные усадьбы или церкви, дворцы или высотные здания. Их правая и левая стороны, как правило, представляют собой зеркальные отражения друг друга.

А разве не такие же решения реализовала природа в сверкающих кристаллах, об удивительной симметрии которых писали еще в древности? Однако не только в мертвом мире камней нашли свое место различные виды симметрии. Примеры ее зеркального варианта мы можем найти и в формах листьев, и в очертаниях множества живых существ – скажем, бабочек.

Но природа была бы слишком незатейлива, если бы ограничилась только этой простейшей формой повторения или подобия. Еще не совсем ясно, почему порой она такую симметрию нарушает. Например, некоторые виды вьющихся растений при росте закручиваются вокруг опоры по часовой стрелке, другие – против. Так же – по часовой или против часовой стрелки – «завернуты» раковины некоторых моллюсков (соответственно «правши» и «левши»), причем «правшей» оказывается намного больше, чем «левшей». Разницу в их количестве можно обнаружить даже в мире бактерий.

Эти и подобные им нарушения симметрии используют и архитекторы. Вот, к примеру, луковицы куполов на соборе Василия Блаженного не привычно гладкие, а «скрученные», что вносит живость и разнообразие в его внешний вид.

Таким образом, подсказанные природой варианты различных симметрий и отступлений от них ведут к богатству создаваемых человеком архитектурных форм.

Как освещаются початки?

В начале этой главы мы уже отмечали связь между ростом растения, с одной стороны, и земным тяготением и светом – с другой. Но мало просто отметить эту связь, хорошо бы ею воспользоваться.

Действительно, можно было бы, например, попытаться построить дом, подобный подсолнечнику, чтобы весь световой день получать в своей квартире наибольший поток солнечных лучей. Но представьте, насколько сложной оказалась бы конструкция такого здания. К тому же его обратная сторона постоянно находилась бы в тени.

Если поставить задачу не получения максимума световой энергии, а просто более равномерного освещения разных сторон здания, то и здесь можно найти примеры природных решений.

Вам хорошо известны колосья злаковых культур или кукурузные початки. Выпуклые зерна в течение дня получают примерно одинаковую порцию света за счет того, что перемещающееся по небосводу солнце постоянно касается их своими лучами. (Это аналогично тому, как если бы вы неподвижно сидели на месте, а кто-нибудь обходил вокруг вас с зажженной лампой, облучая ваше лицо более или менее равномерно со всех сторон.)

Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1920) – российский естествоиспытатель, основоположникотечественной школы физиологов растений. Начал исследования проблемы фотосинтеза – процесса питания зеленых растений при помощи световой энергии, – в решение которой внес огромный вклад. В начале XX века прочел знаменитую лекцию «Космическая роль растения», говоря о растениях как об основе существования всего животного мира на Земле.

Такое выгодное расположение зерен, когда они как можно меньше мешают друг другу получать свет и тепло, натолкнуло архитекторов на мысль о проектировании жилых домов в форме кукурузных початков. Удобство этого технического решения заключалось еще и в том, что все коммуникации – провода электропитания и телефонной связи, водопроводные трубы и канализация, а также лифт – помещаются в одном стволе. Разве это не напоминает деревья и колосья, в которых все питательные вещества «подаются» по стволам или стеблям, а потом распределяются по веточкам к листьям и плодам?

Более ста лет назад наш выдающийся ученый К. А. Тимирязев отмечал: «Роль стебля, как известно, главным образом архитектурная… Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».

Эти конструкции вызвали большой интерес архитекторов, и здания-стволы или здания-початки сегодня можно встретить в самых разных странах мира.

Когда поднимут солнечные паруса?

Всего лишь за несколько последних десятилетий в зодчестве возникло такое направление, как космическая архитектура. В середине пятидесятых годов прошлого века на орбиту вокруг Земли был выведен первый искусственный спутник. Диаметр этого шарика составлял всего несколько десятков сантиметров.

Теперь же в космосе находятся тысячи объектов, в том числе обитаемые корабли, спутники связи с огромными передающими антеннами и даже орбитальные телескопы. Проектируются новые станции для долговременного пребывания людей, а также совершенно необычные межпланетные корабли, которые будут двигаться под действием солнечного ветра.

Казалось бы, что может подсказать здесь живая природа? Ведь в условиях космоса нет природных объектов, которые могли бы поделиться своими секретами с космическими строителями. Но это только на первый взгляд.

Во-первых, эти условия можно имитировать, погружая корабли и космонавтов в воду. Помните разговор о борьбе с перегрузками? Кстати, тренировки будущих космонавтов как раз и происходят в огромных бассейнах. Там отрабатываются действия, которые затем придется повторять уже на орбите, в невесомости, в том числе и монтаж конструкций. А многое для их ажурных, сетчатых, дырчатых, пленочных форм вполне можно позаимствовать, как вы уже знаете, у пауков, жителей морей и океанов или растений.

Во-вторых, существует проблема доставки конструкций на орбиту с Земли. Ведь одним махом забросить в космос гигантское сооружение невозможно. Поэтому надо доставлять элементы станции частями, производя сборку в условиях открытого космоса.

Однако здесь можно использовать легкие и прочные материалы, сложенные и плотно упакованные на Земле и разворачивающиеся в космосе. Может быть, вы читали рассказ Виталия Бианки «Как муравьишка домой спешил». В нем упоминается жук, расправлявший свои тоненькие крылышки, сложенные под жесткими надкрыльями. Это прекрасный пример упаковки довольно протяженной прочной конструкции в малом объеме.

Так что и в совсем непривычных для землян условиях можно воспользоваться тем, что придумала природа. И похоже, что таких необычных задач и нетрадиционных методов их решений со временем будет становиться все больше.

Легко ли строить под землей?

Спустимся теперь с космических высот в «подземное царство». Несмотря на то, что человек давно уже создавал убежища, рыл ямы, землянки, строил подвалы и погреба, он не очень хорошо представлял себе мир подземных строителей.

Но когда масштабы подземных работ возросли, волей-неволей пришлось задуматься, как природа справляется с подобными задачами. Ведь вручную рыть огромные котлованы для подземных гаражей, магазинов и складов, прокладывать тоннели для метрополитена и различных трубопроводов просто невозможно.

И тут вспомнили о таких великолепных землекопах, как кроты. Эти почти слепые существа прекрасно приспособлены для жизни под землей, причем прокладывают в ней ходы со скоростью до тридцати сантиметров в минуту. Своими лопатообразными лапами с мощными когтями крот разрыхляет грунт и отгребает его вбок и назад. Причем, хотя мы видим иногда горки вытолкнутой кротом наружу земли, большей частью он ее не выбрасывает, а утрамбовывает ею стенки тоннелей.

Еще более интересным подземным жителем оказался так называемый голый землекоп – африканский грызун, открытый биологами полтора века назад. Эти животные не имеют ничего общего с кротами, ведут не уединенный образ жизни, а обитают под землей целыми колониями.

Функции между этими существами строго разделены. Ходы они роют, выстраиваясь цепочкой, причем когда самое первое животное вгрызается в твердую почву и разрыхляет ее, остальные по очереди транспортируют ее к отверстию, выгружая на поверхность. Самый настоящий живой конвейер!

Эти невзрачные грызуны, иногда шутливо называемые учеными саблезубыми сосисками, обладают поразительной особенностью: четверть массы их мускулатуры сосредоточена в области челюстей. Благодаря этому они могут своими огромными резцами прогрызать не только твердый грунт, но даже толстый пластик и бетон. В общем, голый землекоп – неплохой пример для подражания.

Упомянем еще ящерицу – ушастую круглоголовку. Известно, что она способна исчезать из поля зрения своих врагов, мгновенно погружаясь в песок. Оказалось, что ящерица достигает этого, заставляя свое тело вибрировать. Силы сцепления между песчинками при вибрации резко ослабевают, и песок становится словно бы жидкостью, в которую ящерица погружается.

Пятьдесят лет назад люди догадались применить этот способ при забивании свай. Вибрирующий рельс десятиметровой длины под действием только собственной тяжести входит в грунт, как нож в масло.

Отметим, что подземные машины, работающие по принципам, подсказанным животными, уже изготовлены. Известна, например, конструкция отечественных инженеров, в основу которой была положена «работа» крота – так называемый подземоход. Однако и создать такие машины оказалось нелегко, и по производительности они уступают своим природным аналогам. Пока здесь человек применяет несколько иные, так сказать, искусственные технические решения. Вновь мы вынуждены признать: нам еще есть чему поучиться у природы…

Биоакустика

Акустика прекрасна.
На трибунах
Одни мужчины.
Солнце золотит
Кудлатых львов правительственной ложи.
Весь стадион – одно большое ухо.

И. Бродский.

Мир звуков окружал человека всегда. В далекие доисторические времена они выручали его так же, как и других живых существ: помогали общаться, ориентироваться в пространстве, охотиться и просто выражать свои эмоции. Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, занялись их изучением, создав науку о звуках – акустику. Шелест листьев в лесу, стрекотание кузнечика, пение птиц, шум морского прибоя – эти природные звуки человек, поначалу просто имитируя, со временем «организовал», и появилась музыка.

Но около четырех столетий назад людям еще было не ясно, что представляет собой звук и как он распространяется. Откачивая, скажем, воздух из-под стеклянного колпака, ученые пытались узнать, будет ли звучать помещенный туда звонок. Однако звучащий предмет был плохо изолирован от подставки и звук был слышен. Ошибки не заметили, и сделали неправильный вывод: звук передается через пустоту.

И только опыты англичанина Роберта Бойля привели к верному умозаключению. Для распространения звуку необходима среда – воздух, вода, дерево или металл. Именно ее колебания и переносят звук к нашим ушам.

История биоакустики – науки о роли звуков для живых существ – шла непростым путем, принося то неожиданные приятные открытия, то разочарования. Были и заблуждения, развеять которые помогли время да кропотливый труд ученых. Давайте перелистаем ее страницы и послушаем, о чем они поведают нам в самые разные времена, в том числе и сегодня.

Можно ли видеть ушами?

Летучие мыши, с которыми люди знакомы давным-давно, представляют собой удивительно любопытный объект для исследования. Они прекрасно ориентируются в полной темноте, ловят на лету насекомых, хотя зрение у них слабое.

Известный итальянский ученый Л. Спалланцани задался целью выяснить, как им это удается. В 1793 году он начал проводить эксперименты с летучими мышами. И вот что он обнаружил: даже лишение зрения никак не отражалось на летных способностях этих животных. Но стоило заткнуть им уши плохо проводящим звук материалом, как мыши начинали беспорядочно метаться.

Попытка объяснить ориентирование летучих мышей в пространстве их необыкновенным слухом была встречена насмешками. Никто не мог поверить, что они «видят» ушами. И насколько несерьезным кажется нам теперь то, что эту уникальную способность животных к ориентированию в то время предпочли объяснить через… осязание. В результате более чем на 100 лет опыты Спалланцани были забыты.

Ладзаро Спалланцани (1729–1799) – итальянский натуралист, разносторонне образованный ученый. Был противником теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов. Занимался экспериментами по регенерации органов у животных и вопросами оплодотворения. Исследовал кровообращение, дыхание и пищеварение. Известен опытами по выяснению ориентации ночных животных.

И лишь перед Первой мировой войной в связи с попытками создания эхолота вернулись к изучению летучих мышей. Ученые стремились сконструировать прибор, предотвращающий столкновение кораблей с айсбергами, – всем была памятна гибель «Титаника». Постепенно, прибегая к более совершенной аппаратуре, ученым удалось отчасти раскрыть секреты летучих мышей.

Выяснилось, что этот зверек, двигаясь практически бесшумно, испускает звуки, которыми словно ощупывает все вокруг себя. Мы эти звуки не воспринимаем, поскольку их частота (ультразвуковая) лежит за порогом слышимости человека. Составляет она свыше 20 килогерц, иными словами, издающий их «прибор» должен совершать более двадцати тысяч колебаний в секунду.

Таким образом, летучая мышь является природным эхолокатором. Отраженные от препятствий и неподвижных (стены и деревья), и перемещающихся (насекомые), сигналы она воспринимает и обрабатывает с фантастической эффективностью. Свидетельством этого является способность летучей мыши определить расстояние до цели, направление и скорость ее движения, размеры и даже характер ее поверхности. Летучая мышь может заметить в темноте преграду толщиной в волосок и никогда не спутает насекомое с хлебной крошкой.

На что способен этот живой локатор, неоднократно проверялось в самых разных условиях, таких, например, как изображено на рисунке. Предположения Спалланцани были окончательно подтверждены. Не прояви ученые такого пренебрежения к его давним опытам, они смогли бы использовать их результаты значительно раньше.

Реагировать на ультразвук могут, как оказалось, многие живые существа. Так, собаки прекрасно слышат летучую мышь. В цирке нас порой удивляют счетные способности этих четвероногих друзей человека. Однако секрет прост: дрессировщики незаметно подают им сигналы ультразвуковым свистком.

И даже кое-кого из жертв летучих мышей – ночных бабочек совок – природа оснастила защитой. Они воспринимают издаваемые хищником сигналы и могут вовремя скрыться. Или даже испускать такие ультразвуковые сигналы, которые сбивают летучую мышь с толку, а то и вовсе отпугивают ее.

По примеру этого «живого локатора» созданы сегодня «акустические очки» – приборы, которые, возможно, помогут слепым. Отраженные от препятствий ультразвуковые импульсы это устройство преобразует в слышимые сигналы, подаваемые в наушники.

Как ориентироваться под водой?

Еще более неожиданным открытием оказалась возможность ультразвуковой ориентации морских млекопитающих, обнаруженная лишь немногим более полувека назад. Она осуществляется несколько иначе, чем у летучей мыши.

Дело в том, что в воздухе и в воде звук распространяется по-разному. Долгое время было неясно, почему та же летучая мышь умудряется ловить рыбу, которая вроде бы не должна быть «видна» на ее локаторе. Оказалось, что именно из-за отражения ультразвука на границе воздуха и воды возникает принимаемый летучей мышью сигнал – ведь внутри рыбы находится наполненный воздухом пузырь. Так рыба становится заметной для летучей мыши, даже не высовываясь из воды.

Американские ученые 20 лет бились над проблемой, как обнаружить с воздуха подводные лодки противника. Разработанный ими чувствительный локатор самолета оказался способен регистрировать малейшие колебания поверхности воды над невидимым судном. Не пришла ли здесь на помощь инженерам летучая мышь?

Но вернемся к обитателям океана. Считается, что далеким предкам дельфинов и китов, уже вышедшим из океана на сушу, пришлось затем по каким-то причинам вернуться обратно. Об этом говорят, например, зачатки задних ног в китовом скелете. Как бы то ни было, млекопитающим нужно было уметь ориентироваться в воде, где уже на небольшой глубине темно, да и прозрачность среды низкая. Вот и пришлось дельфинам и китам превратиться в сонары – гидролокаторы, то есть развивать иную, чем у земных животных, систему звуковой локации.

В принципе, она схожа с той, что имеется у летучей мыши. Дельфин издает ультразвук, который, отражаясь от препятствия, вновь поступает к нему. Но у дельфина нет таких ушей, как у летучей мыши, чем же он воспринимает отраженный звук?

Взгляните на изображение головы дельфина. В возникновении звука, рождающегося в воздушных мешках, принимает участие жировая лобная подушка, играющая роль фокусирующей линзы, отражателем же служит вогнутый, подобно чаше, череп. А отраженный от препятствия сигнал воспринимает и передает к уху дельфина его широкая нижняя челюсть.

Благодаря такому устройству дельфин, прекрасно ориентируясь даже в мутной воде, определяет расстояние до преград, находит рыбу. Хорошо известен опыт, когда он моментально среагировал на крохотную дробинку, опущенную в совсем непрозрачную воду более чем в 20 метрах от него.

Разумеется, ученые не упустили возможности воспользоваться таким совершенным «прибором», как дельфиний локатор. Они знали, что еще во время Первой мировой войны американский физик Р. Вуд предложил обучить тюленей поиску вражеских (германских) подводных лодок по звуку их винта. И хотя из этого ничего не получилось, опыты с тюленями доказали, что они прекрасно слышат под водой. Изучив очертания ушей тюленей, ученым удалось усовершенствовать форму гидрофонов – приборов, улавливающих звуки под водой. После этого начались активные исследования локационных способностей дельфинов, продолжающиеся до сих пор.

Одна из надежд биоакустиков связана с созданием переносного устройства по принципу эхолокатора дельфина, позволяющего человеку ориентироваться в воде. Правда, пока подобные аппараты весьма громоздки и, увы, не столь совершенны, как у животных.

Чем «стреляют» киты и дельфины?

Что вы сделаете, если заблудитесь в лесу? Начнете аукать в надежде, что где-нибудь вас услышат. А если будете точно знать, куда направить звук, то приложите ко рту ладони рупором. Одно дело, когда звук распространяется во все стороны, – тогда он рассеянный, слабый. Другое – если его собрать в узконаправленный пучок – в этом случае он может достигать заметной мощности.

Так поступают и морские животные. На рисунке вы можете видеть две области, в которых дельфин по-разному «распоряжается» звуком. Высокочастотные сигналы, нужные ему для эхолокации, он словно бы собирает в плотный пучок и прослушивает с его помощью окрестности, как лучом звукового прожектора. Это довольно узкая зона спереди и позади дельфина (она выделена частой штриховкой). Таким пучком он водит в воде подобно тому, как люди пользуются в темноте карманным фонариком.

Однако у дельфина есть и обычный, не ультразвуковой слух. Хотя его уши почти заросли, они прекрасно воспринимают практически со всех сторон звуки меньшей частоты. Кстати, эти звуки распространяются в воде дальше, чем ультразвук, поскольку могут огибать препятствия, не отражаясь целиком. Поэтому китообразные используют их для общения между собой. Кашалоты, например, слышат друг друга на расстоянии более пяти километров. Зона восприятия такого ненаправленного слуха почти круговая – сравните по рисунку.

Выяснилось и еще кое-что, не менее удивительное. Бывало, рыбаки недоумевали, наблюдая, как дельфины курсируют вокруг стаи зависшей в воде, будто бы снулой рыбы. И время от времени подплывают к ней, чтобы не спеша полакомиться. Оказалось, что это – результат воздействия на рыбу мощных звуковых импульсов.

Такую же ситуацию наблюдали и в случае с китами.

Действительно, если дельфин, резво движущийся в воде, может охотиться и «на ходу», то огромный кит старается экономить свои усилия. Ведь для того, чтобы угнаться за рыбой, нужно «подсуетиться». А тем более, если требуется догнать кальмара, способного двигаться со скоростью 55 километров в час. Многие юркие рыбы, которым не составило бы труда увильнуть из-под пасти кита, тем не менее вяло болтались перед ним.

Анатомические исследования показали, что в массивной голове китообразных, составляющей порой треть длины всего их туловища, действительно может сфокусироваться очень мощная звуковая волна. Попадая в зону ее действия, рыба обездвиживается, а то и погибает, поскольку выдержать сильный перепад давлений, создаваемый этой «звуковой пушкой», ее организм не в состоянии.

Почему же исследователи не сталкивались с действием такого акустического оружия в океанариумах? Видимо, в закрытых водоемах животные не решаются им пользоваться, чтобы не нанести самим себе вреда отраженным от бортиков водоема ультразвуковым импульсом.

Впрочем, давайте продолжим разговор о «живых приборах», так сказать, мирного назначения.

Где – полезный сигнал, а где – помеха?

Результаты исследований феноменальных возможностей дельфинов и китов нередко помогают человеку в решении проблем, связанных с освоением океана. Например, радиосвязью в воде, к сожалению, не воспользуешься – радиоволны в ней быстро затухают. Вот и остаются для связи только звуки, в использовании которых эти животные большие «специалисты».

Для нас также очень важны вопросы локации морских глубин. Например, для построения карты дна морей и океанов, нужной при поиске там полезных ископаемых; для решения вопросов, связанных с безопасным движением судов и подводных лодок; для выяснения структуры литосферных плит, из которых, как уже нам стало известно, построена вся поверхность земного шара. На границах этих плит рождаются горы и вулканы, происходят землетрясения.

Но недостаточно научиться только посылать и принимать отраженные препятствиями звуки, надо суметь их расшифровать. Животные с удивительной точностью отсеивают, отфильтровывают сигналы, не несущие для них полезной информации. В то же время они отлично усваивают и обрабатывают звуки, необходимые для ориентации, поиска пищи, общения с сородичами. К примеру, летучие мыши, миллионами обитающие в пещерах, умудряются не только не глохнуть в невероятном ультразвуковом шуме, но и выделять необходимые им сигналы.

Вот небольшая локационная задача, с которой сталкивается человек. На рисунке слева показано в плане, как выглядит информация, полученная от кругового радара – радиолокатора, принцип действия которого схож с сонаром (от sound, по-английски «звук») – звуковым локатором. Видно, что близкие к нему предметы могут экранировать (заслонять) те цели, за которыми ведется наблюдение. Каким же способом избавиться от помех?

Теперь посмотрим на правый рисунок. Из него следует, что сигнал, пришедший от удаленной цели, выглядит слабее, чем от близкой. По этим данным можно было бы определить расстояние до интересующего нас объекта. Однако для этого нужен мощный излучатель сигналов, но его могут заметить раньше, чем он сам «поймает» цель. Также необходим высокочувствительный приемник, но его легко «забить» ложными сигналами – помехами.

Конструкторы радаров и сонаров научились решать многие из подобных задач. Например, принимать сигналы от неподвижных целей так, чтобы они «гасили» друг друга, не мешая следить за движущимся объектом. Или придавать испускаемому импульсу особую форму, которая отличает его от «паразитных» сигналов.

При этом вот что важно: продвижение как в радио-, так и в эхолокации позволило нам лучше разобраться, как работают подобные сложные системы в природе. И наоборот, благодаря этому прогрессу в понимании природы ее подсказки дали нам возможность совершенствовать свои приборы.

Например, недавно немецкие ученые создали эхолот, излучающий волны в ультразвуковом диапазоне, близком к тому, который использует летучая мышь. И с его помощью стали определять состав донного грунта с недостижимой прежде точностью. Радар, изобретенный группой американских конструкторов, способен воспринимать биение человеческого сердца на расстоянии ста метров и «чувствовать» человеческое дыхание даже через бетонную стену метровой толщины.

Как выловить рыбку без труда?

Есть еще одна область применения морских локаторов – это ловля рыбы. Нет-нет, речь не идет о звуковых пушках, глушащих рыбу. Мы можем ловить рыбу так же, как обычно это делает дельфин. Необходимо послать не слишком мощный звуковой сигнал, получить его отражение от рыбьего косяка и, установив его местоположение, направить туда рыболовное судно.

Однако есть и более интересный способ ловли рыбы. Мало узнать о том, где она находится и запустить на глубину огромную сеть – трал. Ведь пока трал вытаскивают, часть рыбы успевает выскользнуть из западни.

Чтобы это предотвратить, в горловине трала устанавливают специальный эхолокатор. Его включают тогда, когда считают, что сеть уже достаточно заполнена рыбой. Эхолокатор испускает записанные звуки, излучаемые дельфинами во время охоты на рыб. Этого «пугала» оказывается достаточно для удержания рыбы в сети. Кроме того, эхолокатор с помощью сигналов, выводимых на экран, позволяет точнее нацеливать трал.

Изучение распространения звуков под водой дало ответы на многие вопросы. Например: как точнее узнать, близко ли от нас рыбьи стаи? Или: каким образом «переговаривается» кит со своими родственниками, находящимися от него так далеко, что вроде бы на таком расстоянии любой звук должен заглохнуть?

Оказалось, что внутри океанской толщи существуют будто бы каналы, по которым звук, как в трубе, способен проходить, не рассеиваясь, большие расстояния. Поэтому волна, например, от произведенного под водой взрыва, может распространиться чуть ли не до обратной стороны поверхности земного шара – на расстояние более десяти тысяч километров.

Не исключено, что подобного рода природными волноводами пользуются и обитатели подводного царства. Вообще мир звуков там, как теперь стало ясно, очень богат. Просто человеческое ухо не приспособлено к их восприятию под водой. Когда-то еще Леонардо да Винчи предлагал слушать рыбьи разговоры, приставив к уху мокрое весло, другой конец которого опущен в воду. Но раз кто-то там «говорит», значит есть и восприимчивые к звукам «слушатели».

Исследования подводной акустики важны еще и потому, что деятельность человека заметно отражается на обитателях рек, морей и океанов, помимо прочего, и из-за воздействия звуков. Шум судовых двигателей, работа плотин и мощных гидролокаторов, подводные взрывы и бурение скважин – все это крайне вредно влияет на живые существа. Попросту говоря, они настоящим образом глохнут. Ведь их слух рассчитан на прием пусть многообразных, но природных, а не искусственных звуков.

Гидробиологи и биоакустики выяснили, что киты меняют свои миграционные маршруты, стараясь избежать встреч с судами и иными источниками шума. Он вреден также для развития рыбьей икры, для роста и размножения креветок и многих морских животных и даже сказывается на их поведении. Жаль, что в океане нельзя выставить, как на некоторых сухопутных дорогах, знаки, ограничивающие и даже запрещающие применение звуковых сигналов.

О чем говорят мышцы?

Поговорка «нем как рыба» оказалась опровергнутой. Рыбы, как вы узнали, вполне общительны. Каких только у них нет приспособлений для производства и восприятия звуков! У изображенной на рисунке слева рыбки есть специальный грудной отросток, при помощи которого она громко рычит и чирикает. Звуки некоторых рыб напоминают свистки футбольных судей, других – стрельбу из винтовки или пистолета, а кое-кто шумит, словно мотоцикл, или издает хлопки. Одна лишь акула всегда молчит.

Рыбы, как и морские животные, способны, хоть и не в такой степени, к эхолокации, реагируют на инфра- и ультразвуки (инфразвуки – акустические волны с частотой ниже (или на границе) области слышимых человеком частот). Для приема различных сигналов их организмы обладают тремя системами (гидрофонами), одна из которых – плавательный пузырь, используемый как резонатор – усилитель звуков.

Все это удалось зафиксировать благодаря разнообразной исследовательской аппаратуре. Любопытен здесь факт реакции, например акул на звуки, вовсе, казалось бы, не испускаемые интересующими их рыбами. Подводный «грохот» или чириканье – это звуки довольно высокой частоты. Когда же под воду опустили изображенный на рисунке справа излучатель, работающий на частоте 25 герц, около него неожиданно всего лишь за две минуты собралась целая стая акул. Почему их привлек этот звук?

За ответом кроется длинная история. С этой частотой, как оказалось, излучаются звуки, производимые при сокращении мышц, в том числе, и рыбами. Еще в XVII веке естествоиспытатели обращали внимание на возможность их услышать, предлагая различные способы экспериментальной проверки. Полтора столетия после этого проблема казалась забытой, но вот в 1811 году англичанин У. Волластон провел интересные опыты. Он заставил своего кучера ездить в карете по брусчатой мостовой, а возникающий при этом ритмичный стук сравнивал с теми звуками, которые слышал, зажав уши большими пальцами рук.

Кстати, вы сами можете убедиться в существовании этих звуков. Сожмите кулаки, отставив большие пальцы к голове, и несильно прижмите их кончики к ушам. Ровный тихий гул – свидетельство звучания мышц.

Так вот, Волластон обнаружил, что частота подобного звучания совпадает с частотой стука каретных колес при определенной скорости движения. Несложный расчет привел его к значению около 25 герц.

Уильям Волластон (1766–1828) – английский естествоиспытатель. Работал в области оптики и акустики, электричества и химии, кристаллографии и ботаники. Открыл ультрафиолетовые лучи, химическое действие электрического тока, два новых химических элемента. Изучал явление миража, ставил опыты по физиологической акустике.

Помните, на что реагировали акулы? Конечно, такая частота находится на нижней границе нашего восприятия звука, и поэтому, даже если такой шум раньше обнаруживали, то считали его какими-то помехами.

Действительно, какие звуки воспринимает, скажем, врач, когда он прослушивает пациента? Стук сердца и ритм дыхания. Но когда, через 150 лет после опытов Волластона, стали внимательно изучать звуки мышц, выяснилось, что они также могут предоставить богатую информацию.

Характер этих звуков свидетельствует о состоянии мышечной, в том числе сердечной, ткани. А это важно как врачам для постановки точного диагноза при лечении больных, так и здоровым людям, например спортсменам.

Чем слышит кузнечик?

Приемники звука таких живых существ как летучие мыши, дельфины, собаки можно именовать ушами. Но можно ли назвать ухом то, чем ловит звуки кузнечик?

Прежде всего, слуховые органы расположены у него на… передних лапках чуть ниже коленного сустава. Зачем же природе понадобилось такое изобретение? Вероятно, это связано с необходимостью иметь возможность определять, откуда они направлены.

У человека и многих животных уши находятся достаточно далеко друг от друга. Поэтому звук, идущий из какого-то места, достигает одного уха чуть раньше, чем другого, то есть возникает запаздывание сигналов, и этого уже достаточно, чтобы определить, с какой стороны донесся звук. Человеческие уши фиксируют запаздывание в несколько стотысячных долей секунды!

Еще одна возможность – уловить, насколько прошедший большее расстояние, да при этом еще и экранированный головой звук слабее звука, дошедшего до другого уха. Представьте себе, что эти ничтожно малые расхождения по времени и мощности способны регистрировать чуткие уши животных, определяя направление на источник сигналов с точностью до одного градуса!

Здесь, кстати, возникает вопрос: а как ориентируется под водой по звукам человек? Увы, плохо, ведь череп человека не создает там экрана – звуковой тени, и шум, например, моторной лодки кажется идущим сразу со всех сторон.

А вот самки тюленей, по-видимому, располагают особой (квадрофонической) системой слухового восприятия. Крики их детенышей создают звуковые волны и в воздухе, и в воде. Сигнал, распространяющийся в жидкой среде в несколько раз быстрее, проникает из-под воды к ушам тюленихи по вертикальным полоскам звукопроводящей ткани с обеих сторон ее головы. А запаздывающие в воздухе волны поступают по обычным слуховым каналам. Определить, откуда доносится крик, в этом случае можно по сравнению информации, идущей с четырех датчиков звука!

Но что делать, если расстояние между приемниками звука очень мало? Насекомые, к примеру, не могут сильно отодвинуть друг от друга свои слуховые органы. В действие вступает иной принцип. У того же кузнечика в его ножные «уши» сигнал приходит, приводя в движение сразу обе мембраны, причем действует на них, в отличие от наших ушей, с обеих сторон каждой. Реагируя на разницу давлений внутри и снаружи ушной камеры, каждая мембрана по-своему колеблется. А поскольку в зависимости от направления на источник звука левая и правая мембраны будут двигаться «в такт» или нет, можно, сравнивая характер их колебаний, выяснить, откуда пришел звук.

Знание того, каким образом насекомые издают и воспринимают звуки, например, сигналы тревоги или агрессии, важно для нас во многих отношениях. Скажем, оно может пригодиться в производстве приборов, отпугивающих или уничтожающих комаров – неком аналоге «звуковой пушки» китов. А как было бы хорошо создать нечто подобное для избавления от саранчи, пожирающей на своем пути всю растительность!

Не так давно считалось, что пчела сообщает своим сородичам о местах сбора меда лишь с помощью своеобразных «танцев», которые она совершает в воздухе. Но в последние десятилетия установлено, что, помимо этого, она издает серии звуковых импульсов. Их продолжительность и частота содержат информацию о дальности медосбора. Затем были обнаружены и «уши» пчел – фонорецепторы. А это дает возможность управлять их летной деятельностью, скажем, удерживать соответствующими звуками в улье, когда идет химическая обработка полей.

Отчего глохнет глухарь?

Почему птицу, изображенную на следующей странице на рисунке слева, называют глухарем? Вот охотники давно подметили, что слух у него отменный. Однако во время пения он словно перестает воспринимать окружающие звуки. Это подтвердили в дальнейшем исследования биоакустиков.

Оказывается, свою песню глухарь как бы разделяет на части. Издавая одни звуки, он еще не теряет слуха, однако когда переходит к другим, напоминающим металлический скрежет, как будто отключается от окружающего мира и слышит только себя. Возможно, эта временная глухота птицы связана с предохранением своего слуха от собственных слишком громких криков, – внутри головы глухаря они создают давление, сравнимое с создаваемым работающим вблизи реактивным двигателем.

Различные вопросы, связанные с восприятием звуков, давно интересовали людей. Подумайте, например, отчего в сплошном шуме мы способны выделять среди множества звуков нужные нам, различать в шуме толпы голоса знакомых нам людей, а в каких-то случаях вообще не воспринимаем звуки, которые должны нам мешать? Помните, подобные вопросы возникали в рассказе о летучих мышах?

На правой части рисунка показано в увеличенном виде устройство так называемого среднего уха человека. Названия «наковальня», «молоточек» и «стремя» были присвоены трем находящимся в нем косточкам. Эти косточки передают колебания от барабанной перепонки, приходящей в движение от звуковых волн, к заполненному жидкостью внутреннему уху.

Каждый отдел природного слухового аппарата как у нас, так и у многих животных выполняет свою особую функцию. В целом это удивительно чуткий, настроенный на прием очень разных по частоте и по мощности звуковых колебаний орган. Отметим сейчас, что самый слабый звук, воспринимаемый человеческим ухом, составляет по мощности одну миллиардную от одной миллиардной доли ватта. Даже от шороха листьев в лесу к уху приходит больше энергии. Надо ли удивляться тому, что конструкторы аудиотехники всегда стремились создать рукотворные приборы такой же поразительной чувствительности!

Но как же тогда наше чуткое ухо не глохнет от более мощных звуков? Отмеченные на рисунке мышцы среднего уха в этих случаях словно сдерживают стук слуховых косточек, не позволяя им «барабанить» по нежным тканям внутреннего уха. Даже когда мы только собираемся заговорить, они приходят в готовность, чтобы защитить наш слух от переутомления, звуковых помех или повреждений. Если бы не это, дети оглохли бы от испускаемых ими криков, а мы не могли бы слышать других людей, когда говорим сами.

Природа позаботилась и о том, чтобы мы могли воспринимать без ущерба для нашего здоровья и без потери четкости звуковые колебания как бы по параллельным каналам. При этом один звук не «забивает» другой и сохраняется возможность их выделять, то есть настраиваться, как камертон, только на то, что нам нужно слышать.

Все же, хотя мы способны как бы приглушать громкие звуки, когда они достигают предела допустимой природой громкости, уши не выдерживают. И здесь нужна уже не внутренняя, а внешняя защита от шума, скажем, звукопоглощающие наушники.

Как ухо «ловит» звуки?

Рассмотрим теперь более подробно устройство нашего уха. Несмотря на то, что анатомические исследования вроде бы давно позволили полностью изучить его строение, до конца объяснить работу уха долгое время не удавалось.

Чтобы детально разобраться с природным слуховым «аппаратом», нужно было пройти долгий путь в науке и технике. Большой вклад внес в акустические исследования талантливый физик и инженер Д. Бекеши, занимавшийся в двадцатые годы прошлого века проблемой плохого качества связи по телефонным линиям. В конце концов, пройдя по всей цепочке передачи сигналов, ученый, естественно, подошел к ее концу, а именно к приемнику – нашему уху. Выяснилось, что даже в двадцатом столетии было известно о нем слишком мало. И чтобы отладить телефонные переговоры, прежде всего надо рассмотреть действие уха с технической точки зрения.

Дьёрдь Бекеши (1899–1972) – американский физик и биофизик. Работы посвящены акустике и теории слуха. Объяснил процесс звукового восприятия, сконструировал модель внутреннего уха, изобрел ряд инструментов для исследования слуховых органов. За большой вклад в биоакустику был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Инженеры – сотрудники Бекеши с ужасом наблюдали за появившимися в их лаборатории анатомическими препаратами из больниц и клиник. Ученый исследовал ухо, расчленяя его и внимательно изучая работу каждой «детали». Для этих целей им были созданы уникальные приборы, и в конечном итоге построена ясная система взглядов на то, как мы слышим.

Коротко это выглядит так. Звуки, улавливаемые, словно рупором, нашей ушной раковиной, проникают по слуховому каналу к барабанной перепонке. Она через уже знакомые вам косточки среднего уха транслирует их к мембране внутреннего уха. Вот там-то, в так называемой улитке, и передаются к нервным окончаниям уже разделенные по частотам внешние звуки. Причем в нижней ее части улавливаются звуки высоких частот, а в верхней – низких. Длина улитки определяет диапазон воспринимаемых нами частот – примерно от 20 до 20 000 герц. А вид спирали она имеет потому, что это позволяет ей занимать в голове меньше места.

Мало кто внес столь большой вклад в понимание работы нашего слухового аппарата, как Бекеши. А это и последующие за ним исследования необходимы были, в том числе, и для того, чтобы помочь людям, лишенным слуха или имеющим те или иные его дефекты.

Думаете, это касается немногих? Увы, в одних США более 300 000 жителей, страдающих расстройствами слуха, в Германии они составляют 12 процентов населения. А для кого передают по телевидению новости с сурдопереводом – переложением речи на язык мимики и жестов? Задача создания хороших слуховых аппаратов становится ныне одной из самых актуальных.

Что ж, инженеры и конструкторы могут похвастать сегодня удивительными приборами. Принимающие звук микрофоны имплантируют под кожу за ухом. Провода от них передают вплоть до улитки внутреннего уха обработанные компьютером сигналы. Тем самым больным возвращают одно из наших самых главных чувств – слух.

Кстати, отмечено стойкое нарушение работы слухового аппарата при неумеренном пользовании плейерами. Особенно оно заметно в дороге, когда добавляются шум и вибрация транспорта.

Понимание «работы» уха позволило ученым создать систему обработки звука по принципу действия улитки, что привело к увеличению дальности передачи речевых данных более чем в 10 раз! Со временем подобные системы, видимо, помогут нормально вести разговоры между землянами и астронавтами, находящимися, например, на Марсе.

Откуда берется голос?

Говоря о приемниках звука – ушах, не будем забывать и о том, где звуки рождаются. Речь пойдет… об органе речи – нашем горле. А ведь лишь относительно недавно произошли серьезные сдвиги в понимании работы этого органа. Еще каких-то пятьдесят лет назад природа голоса оставалась загадкой.

Кому больше всех приходится волноваться за свое горло? Конечно, каждый из нас хочет, чтобы оно не болело. Однако больше всех пекутся о нем певцы и музыканты. Попробуйте-ка дуть в трубу в течение целого концерта, если у вас болит горло. А что уж говорить об известных певцах, для которых голос – незаменимый рабочий инструмент!

Долгие десятилетия не существовало эффективных способов лечения болезней гортани, и многие певцы покидали сцену слишком рано.

Теперь, когда стало известно, как рождается человеческий голос, возможно возвращать его заболевшим певцам. Один из последних примеров – известнейший эстрадный артист Элтон Джон. В середине восьмидесятых годов у него «пропал» голос, но буквально за год врачи сумели полностью восстановить его, и певец смог вернуться к концертной деятельности.

Этими успехами люди были обязаны инженерному взгляду на рождение голоса. Образует его большое число мышц и органов живота, груди, горла и головы. Но главное – две мышцы в гортани, раньше называвшиеся голосовыми связками, а теперь – складками. Их вибрация и приводит к появлению звука, а язык, нёбо, ротовая и носовая полости играют роль резонаторов духовых музыкальных инструментов и придают нашему голосу индивидуальную окраску.

Творческое сотрудничество между врачами и специалистами-биоакустиками, исследующими голос, стало залогом появления новых методик лечения болезней горла, в том числе и с помощью лазера. А порой новые знания позволяют устранить дефект или предостеречь от недомоганий с помощью несложной профилактики – соблюдения гигиены.

Наверное, нетрудно будет добавить к «эксплуататорам» голоса – певцам – других людей, которым также необходимо активно его использовать: это дикторы радио и телевидения, преподаватели, часто выступающие политики. Они-то хорошо знают, что пренебрежение здоровьем, игнорирование мелких простуд и «севшего» голоса может обернуться серьезными нарушениями речи.

А ведь это не менее изумительное изобретение природы, чем орган слуха! Почему, кстати, как ни стараются энтузиасты, у них не получается научить животных человеческой речи? Мы не затрагиваем вопрос о том, способны ли они понимать произносимое. Дело в другом: смогли бы сказать, если бы понимали?

В 1699 году английский врач Э. Тайсон утверждал, что «у обезьян анатомически есть всё, чтобы говорить. Они не говорят, так как Господь не вдохнул в них этой способности». Увы, за более чем 300 прошедших лет мы убедились в обратном. С имеющимся анатомическим строением органов, рождающих звуки, даже человекообразные обезьяны воспроизвести весь диапазон звуков человеческой речи практически не смогут.

Вы догадались, кого сегодня особенно волнует этот вопрос? Конечно, конструкторов говорящих роботов.

Чтобы «вещать» по-человечески, машинам предстоит еще много «учиться».

Какая музыка животным не по нраву?

Люди давно замечали, что животные производят звуки не только для того, чтобы общаться друг с другом, предупреждая об опасности или призывая к найденному корму. Существуют удивительные свидетельства того, как «поют» собаки или какие мелодичные звуки способны издавать киты. Чем являются эти звуки? Какие незнакомые нам чувства пытаются выразить с их помощью живые существа?

Может быть, нам удастся в какой-то степени ответить на эти вопросы, наблюдая за реакцией животных на звуки, несущие эмоциональную нагрузку.

Подобные наблюдения выявили множество любопытных фактов. Мелодичная музыка, например, приводила к повышению удоев коров на 5–10процентов. Звуки пастушьего рожка оказывали взбадривающее воздействие на скот. Обратный пример: прослушивание записи рок-музыки заставляло коров резко снижать надои. А вот свиньи приходили в восторг только от современных ритмов и оставались равнодушными к классике и даже начинали драться, если включали музыку Бетховена или Баха.

Поразительно чутки к музыке дельфины, – от мелодичных звуков они становятся еще дружелюбнее и проявляют особое расположение к людям, однако приходят в замешательство от рока. На музыку реагируют и рыбы, ее используют на морских плантациях как сигнал начала кормления. И уж совсем ошеломляют результаты исследования японских специалистов по аудиоэлектронной технике: «слушая» музыку, быстрее растут овощи и фрукты! Причем и они предпочитают классику.

В рассказе Виталия Бианки описан медведь, с упоением «играющий» на сухой щепке, торчащей из пня. Вибрирующие звуки почему-то доставляли ему несказанное удовольствие.

Возможно, и вы сталкивались с похожими случаями. Здесь еще много загадок, и влияние на живое различных звуков сейчас активно исследуется. Имеются практические итоги этих исследований. Например, замечено, что от звуков охотничьего рожка начинают дождем сыпаться гусеницы с деревьев. Ясно, что люди не преминут использовать эти данные для охраны садов от вредителей.

В последнее время получен еще один интересный результат биологической акустики. Оказалось, что ритмичная, насыщенная громкими звуками музыка по-разному воздействует на представителей разных рас.

У тех, для кого такая музыка «в крови», например, у афроамериканцев, она не вызывает каких-либо существенных перемен в организме. У тех же, кто обладает белой кожей, изрядные «дозы» тяжелого рока ведут к расстройству здоровья, начиная с ослабления иммунитета и слуха.

Кто способен слышать шторм?

Уже упоминавшийся в этой книге американский физик Роберт Вуд прославился благодаря не только научным достижениям, но и нескольким занятным историям. Одна из них была связана с его участием в театральной постановке, в которой во время одной из сцен спектакля до зрителей нужно было донести ощущение таинственности. Изобретательный ученый решил использовать для этого огромную трубу, с помощью которой намеревался создать неслышимый, но воспринимаемый в зале звук.

Может ли такое быть? А вы вспомните ощущение вибрации почвы от проезжающего за углом трамвая или от поезда, проходящего мимо перрона, когда ухо вроде бы ничего не слышит. Это – упомянутые нами ранее низкочастотные колебания, или инфразвуки, недоступные нашему уху, однако воспринимаемые некоторыми внутренними органами. Подобный эффект и пытался создать Вуд. Хорошо еще, что его трубу испытали во время репетиции. От ее «звучания» задребезжали окна, стены здания заходили ходуном, а люди, находившиеся в зале, испытали необъяснимый ужас. Трубу немедленно выкинули.

С похожими случаями людям приходится сталкиваться в ситуациях, когда никто специально не пытается такой звук произвести. Он может возникнуть в результате движения воздуха в шахтах, дымовых и вентиляционных трубах. Поэтому при строительстве необходимо учитывать возможность возникновения подобных эффектов и тщательно их избегать.

Василий Владимирович Шулейкин (1895–1979) – российский геофизик. Исследовал различные проблемы физики моря. Организатор гидрофизических станций и лабораторий. Объяснил окраску морей и озер, выдвинул теорию морских волн, течений, тропических ураганов. Изобрел ряд приборов для изучения моря, открыл эффект, на основе которого был создан предсказатель штормов.

Не исключено, что при ведении военных операций инфразвуки будут использовать как один из видов так называемого психотропного оружия. Его использование оправдывают тем, что оно не смертельно, а лишь подавляет психику противника, лишая его возможности вести бой. Однако при сильном воздействии инфразвука внутренние органы человека могут сильно смещаться и даже деформироваться, что приводит к печальному исходу.

В отличие от человека, некоторые животные способны испускать и воспринимать инфразвуки. Эта их особенность была использована при создании прибора – предсказателя штормовой погоды. Дело в том, что при возникновении шторма далеко в море возникают колебания низкой частоты. А так как звук распространяется в воздухе и воде с большой скоростью, он достигает берега значительно раньше, чем сам шторм. Вот бы создать такое устройство, подумали ученые, которое могло бы его «услышать»!

Подсказку дала медуза, «воспринимающая» подобные звуки. В конце ее отростка, свисающего с зонтика, содержится жидкость с крохотными известковыми камушками, касающимися окончания нерва. Пришедшие колебания низкой частоты, приводя камушки в движение, фиксируются этим органом медузы, позволяя ей спрятаться от надвигающейся угрозы.

Учеными создан прибор, имитирующий этот своеобразный орган слуха. Он преобразует в импульсы электрического тока колебания нужной частоты, усиливает импульсы и передает на измерительную шкалу, на которой проставлены баллы будущего ненастья. Удачная подсказка природы была воплощена в аппарат, предсказывающий наступление шторма за 15 часов!

Еще одну область применения низких частот освоили специалисты французской фирмы «Кусто». Они разработали прибор, подающий инфразвуковые колебания на корпуса морских кораблей, предотвращая их обрастание водорослями и микроорганизмами.

Как предсказать землетрясение?

Чем еще могут помочь нам соседи по планете, когда речь идет о защите от стихийных бедствий? Случаев такого рода помощи чрезвычайно много, однако достоверные факты обросли невероятным количеством домыслов и легенд.

Вопрос настолько важен, что к изучению биопредвестников различных природных катаклизмов сегодня привлечены немалые научные силы. К этому мы еще вернемся. Сейчас же поговорим о тех живых существах, которые способны нам помочь в предсказании землетрясений. Эти разрушительные стихийные бедствия принесли человечеству неисчислимые несчастья. И многие насекомые и животные, опять же в отличие от нас, могут реагировать на приближение этой беды.

Назовем жука-вертячку, змею и кузнечика. Первый из них благодаря своим антеннам необыкновенно чувствителен к малейшим механическим колебаниям. А вот змеи, как полагают ученые, воспринимают еле заметные сотрясения почвы всем своим телом. И совершенно фантастическую чувствительность проявляет кузнечик. Как установлено, он способен реагировать на колебания поверхности Земли, размах которых не превышает размеров ничтожно малой частицы – атома! Таких чутких сейсмографов люди пока не создали.

Будем надеяться, что изучение этих и многих других предсказателей землетрясений позволит нам либо самим создать новые чувствительные приборы, либо научиться точнее расшифровывать поведение животных и насекомых для установления срока возможного бедствия.

Четверть века назад в Китае 100 тысяч добровольцев проводили целенаправленные наблюдения за живой природой. Все, что казалось необычным, брали на заметку и сообщали об этом в центр обработки информации. Так удалось спрогнозировать крупное землетрясение и спасти этим миллионы человеческих жизней.

Проблема, однако, в том, что помимо колебаний почвы на живые существа могут воздействовать и другие перемены в их окружении, на которые те могут реагировать. Это может быть сопутствующий катастрофическим изменениям в земной тверди подъем грунтовых вод или выход подземных газов. Отделить реакцию на тот или другой сигнал, который нам подает природа, – вот серьезная задача.

А закончим мы главу о биоакустике любопытным примером из сейсмологии. Наверняка вы слышали лягушачьи «концерты». Стоит невероятный шум, когда сотни квакуш, не умолкая, демонстрируют свое умение петь. Можно ли при этом передать хоть какой-либо важный сигнал от одной лягушки к другой?

Оказывается, для этого лягушки используют… твердую почву. Постукивая по ней пальцами, а то и шлепая всей лапкой, они посылают сейсмические сигналы, несущие нужную информацию, не рассчитывая на передачу «устных» сообщений по воздуху. К подобного рода связи прибегают и зайцы, выбивающие задними лапами барабанную дробь по земле, и некоторые грызуны, живущие в пустыне. Ну, чем не азбука Морзе?..

Биооптика

Бесценный дар природою нам дан —
Глядеть пытливым оком,
Чтоб мир познать глубоко.
Когда ж излишне доверяем зренью,
То можем впасть в обман,
А он сродни слепому заблужденью
И даже самомненью.

М. Буонарроти

Однако это самое око оставалось для нас целые тысячелетия загадкой. Да-да, это не преувеличение – с устройством и работой глаза безуспешно пытались разобраться еще задолго до новой эры. Полагали, например, что все окружающее нас производит некие образы, или «призраки», копирующие предметы, которые наши глаза словно бы ощупывают испускаемыми из них же самих лучами. Отсюда и происходит выражение «свет очей моих».

Впервые точное изображение того, что происходит в органе зрения, появилось только около четырех веков назад. Оно приведено на рисунке в начале этой главы и принадлежит астроному И. Кеплеру.

Интерес ученых к устройству нашего органа зрения был тогда необыкновенно велик, да и вся оптика поначалу была наукой не о световых явлениях, а об устройстве и работе глаза. Причем уже в те времена сложилось ясное понимание того, что для создания помогающих глазу приборов человеку стоило бы многое позаимствовать у природы.

Так, английский астроном Дж. Грегори писал в те годы: «Было бы, вероятно, полезно составить объектив зрительной трубы из различных сред, как это устроено в глазу природой, которая ничего не делает зря». Вот и судите теперь о том, когда на самом деле возникла бионика…

Шли годы и десятилетия, люди все лучше постигали работу органа зрения. И вот знаменитый ученый XIX века Г. Гельмгольц решился на такое заявление: «Если бы оптик принес мне столь несовершенный инструмент, как человеческий глаз, я бы тотчас выбросил его за дверь». Простим великому физику и физиологу столь резкую оценку – всех будущих загадок и открытий, связанных со зрением, он, видимо, не мог предусмотреть.

А нам ближе будут слова, произнесенные примерно в то же время изобретателем фотографии Н. Ньепсом: «Фотоаппарат представляет собой глаз, которому человек внушил свою волю». В дальнейшем мы еще не раз будем сравнивать рукотворные приборы с изумительными «аппаратами», созданными природой.

Огромно многообразие следящих за нами и вообще за миром глаз. Давайте пристальнее всмотримся в них, и попробуем найти полезные нам подсказки природы. Но будем при этом бдительны и последуем совету выдающегося художника и зодчего эпохи Возрождения Микеланджело Буонарроти, поэтически предупредившего нас: «иногда стоит говорить себе – «не верь глазам своим!»»

Как свет распространяется в глазу?

Перед вами картинка, представляющая сечение нашего глаза, – начнем все-таки с человеческого органа зрения. Согласитесь, что аналогия с фотоаппаратом очень точна. Хрусталик глаза – это маленькая линза, преломляющая и фокусирующая световые лучи на задней стенке глазного яблока, подобного закрытой со всех сторон темной камере. Вместо фотопленки – сетчатка, покрытая множеством нервных окончаний, воспринимающих изображение предметов, на которые мы смотрим. Но это, как мы выясним позже, все-таки очень грубые сравнения, и их требуется уточнить.

А пока – первый вопрос: в фотокамере изображение переворачивается, а что же в глазу? Поверить в то, что мы видим мир перевернутым вверх ногами, долгие века не могли ни ученые, ни тем более простые люди, далекие от науки. Даже когда создали так называемую камеру-обскуру – а это просто темный ящик с маленьким отверстием, – благодаря которой, казалось бы, удалось смоделировать хотя бы простейшие происходящие в глазу процессы, заблуждение не развеялось. И гениальный Леонардо да Винчи, находясь на пороге открытия, тоже переубедил себя, решив, что хрусталик в глазу играет роль прозрачного тела, снова, после радужки, переворачивающего изображение, чтобы мы его видели, как положено – «вверх головой».

Альхазен (965–1039) – арабский учёный. Работал в области физики, астрономии, математики, медицины и философии. Выдвинул свою теорию зрения, описал анатомическое строение глаза, был первым исследователем, знавшим и применившим в опытах камеру-обскуру. Дал верное представление видения двумя глазами, предположив, однако, что приемником изображения является хрусталик. Эта точка зрения продержалась до XVII века.

Лишь упомянутый нами в самом начале главы Кеплер, отбросив ложные представления, создал, наконец, схему прохождения лучей в глазу, близкую той, которая используется сегодня.

Почему же мир не кажется нам перевернутым? Дело в том, что в формировании изображения принимают участие не только глаза, но и мозг. Именно в нем восстанавливается верное изображение.

Зрачки действуют подобно тому, что мы делаем с пленочным фотоаппаратом при диафрагмировании – изменении размера отверстия камеры, регулирующего световой потока зрачки глаз. В этом можно убедиться, входя в темное помещение с ярко освещенной улицы, когда наши зрачки сильно расширяются – для того, чтобы пропустить в глаза как можно больше света. И наоборот, когда очень светло, зрачки, чтобы уменьшить его поступление, рефлекторно, иначе говоря, автоматически, сужаются.

А вот настройка на резкость, которую мы производим, вдвигая или выдвигая объектив фотокамеры, то есть приближая или удаляя ее линзы от пленки, происходит в глазу иначе. Специальные мышцы трансформируют толщину хрусталика, отчего он становится то более, то менее выпуклым. В результате меняется его способность преломлять световые лучи, а значит обеспечивается возможность собирать их на сетчатке от по-разному удаленных предметов.

Впрочем, такой способ фокусировки не единственный в природе. Порой может показаться, что когда-то давным-давно она намеренно предвосхитила разнообразные решения, независимо от нее осуществленные потом человеком в технических устройствах.

Но, конечно, при этом люди старались многое «подсмотреть» и перенять у природы. Хрусталик глаза, изучаемый во время хирургических операций, подталкивал к изготовлению линз из прозрачных материалов – хрусталя и стекла.

Пытаясь помочь человеку увеличить изображение рассматриваемых предметов, еще тысячу лет назад арабские врачи заложили учение об оптике.

Нельзя ли обойтись одним глазом?

Фотоаппарат с одной линзой, копирующий в главных чертах наш глаз, – это только «заря» фотографии, занявшаяся в 1839 году. Чем дальше, тем больше люди стремились усовершенствовать искусство съемки, сделать ее результаты как можно более близкими к реальной картине мира.

В связи с этим в очередной раз возник вопрос: а зачем нам два органа зрения? Мифологические циклопы были одноглазыми. Да и люди могут так прожить – вспомните одноглазых капитанов или пиратов в исторических романах или фильмах. Может быть, природа просто решила для надежности продублировать этот важный орган? Но дело не только в этом.

Как и в случае с ушами, которые только «в паре» способны обеспечить нам верное определение направления на звучащий объект, два глаза также создают дополнительный зрительный эффект – стереоскопическое, объемное видение мира. Даже лучшие современные камеры с одним объективом не обеспечивают этого эффекта, получаемого нами благодаря бинокулярному зрению (двумя глазами). Ведь каждый из них видит любой предмет чуть-чуть по-разному. И, добавляя информацию, полученную от одного глаза, к той, что дает другой, мы словно бы лепим образ рассматриваемого предмета, точнее оцениваем его размеры и расстояние до него.

Отметим также другую интересную особенность, которой обладают глаза. Они никогда не остаются неподвижными. Если даже нам кажется, что мы смотрим в одну точку, на самом деле наш взгляд непрерывно перебегает с места на место, словно сканируя, ощупывая пространство.

Более того, хотя основная информация воспринимается участком сетчатки, расположенным прямо напротив центра хрусталика – там размещается и больше световых рецепторов, – существует эффект так называемого бокового, или периферического, зрения. Рисунок показывает, как благодаря вращению глазного яблока можно увидеть даже предмет, луч света от которого не может непосредственно попасть в глаза из-за преграды. Подобным зрением важно обладать, например, водителям транспорта и людям, занимающимся игровыми видами спорта, и его можно развить.

Воспроизвести в технике такие природные «хитрости» непросто. Тем не менее, люди уже сумели сконструировать фотоаппараты, с помощью которых можно делать стереоскопические снимки. Для их разглядывания, правда, необходимы специальные очки, но не за горами появление объемных фотографий, не требующих для своего разглядывания вооружать глаза какими-либо приспособлениями.

Еще одно изобретение, вошедшее в обиход репортеров и любителей фотографии, – панорамные снимки. Но если для нас это достижение необязательное, то для окружающих нас живых существ это порой суровая необходимость. Таким зрением обладают многие животные, которым требуется широкий обзор местности вокруг себя, чтобы как можно раньше обнаружить опасность, например, хищника. К ним относятся грызуны, зайцы, многие сумчатые и копытные животные. Как недавно выяснилось, панорамным зрением обладает даже весьма крупный зверь – морж, которому нередко угрожает белый медведь.

Изучение связи различных особенностей зрения тех или иных животных с условиями их жизни и решаемыми задачами, несомненно, дает ценную информацию. В том числе разработчикам роботов, снабжаемых искусственными глазами.

А если и двух глаз мало?

Создавая оптические приборы, люди все больше присматривались к устройству глаз различных животных и насекомых. Например, тех, кому довольно много времени приходится проводить в воде, – лягушек, крокодилов, бегемотов. Им удобней располагать свои глаза таким образом, чтобы и дышать было можно, и жидкость не искажала изображение. Ведь и вы, ныряя под воду с открытыми глазами, наверняка замечали, что видеть становится сложнее – все воспринимается как будто размытым.

Происходит это из-за того, что наружная оболочка нашего глаза привыкла контактировать с воздухом. Вода же дополнительно преломляет световые лучи, хрусталику их труднее сфокусировать, и поэтому нам приходится вооружать глаза – отделять их от жидкой среды с помощью воздушной прослойки. Разве в маске или в плавательных очках под водой не становится лучше видно?

Однако тех, кому приходится, скажем, охотиться на границе водной и воздушной сред, природа одарила поразительными возможностями. Она снабдила рыб некоторых видов четырьмя глазами. Одна пара глаз, та, что расположена выше, предназначена для воздуха, для обнаружения там летающего хищника, другая, нижняя, – для воды. Так намного удобнее следить и за насекомыми, которые вьются над поверхностью реки или озера, порой садясь на воду.

Есть, правда, еще один способ для одновременного видения на границе этих сред. Это глаза некоторых крокодилов, внешняя поверхность которых совершенно плоская. В этом случае лучи, идущие к глазам вдоль границы двух сред и сверху, и снизу, фактически на этой поверхности не преломляются – так как отвесно падающий в воду пучок света не изменяет в ней своего направления. Уже изобретены действующие по такому же принципу фото- и кинокамеры, которыми можно вести съемку сразу над и под водой.

Четырьмя глазами обладают и некоторые насекомые, например, стрекозы. Вернее, у них два глаза, но они разделены поперек, так что получается как бы две пары глаз. Верхняя обозревает достаточно светлую область – небо. Для этого не нужна большая чувствительность, не обязательно разбирать цвета, можно обойтись конструкцией глаза попроще. А вот нижняя пара, ведущая наблюдения за менее освещенной земной поверхностью, на которой требуется рассматривать мелкие и пестрые, иногда довольно яркие предметы и различать среди них насекомых, устроена иначе. Здесь нужны значительно большая острота зрения, чувствительность, восприятие цвета, иными словами – более сложные глаза.

Добавим также, что некоторые обитатели Земли, обладающие двумя вроде бы обычными органами зрения, имеют и… третий глаз. Это, к примеру, ящерица гаттерия, дополнительный глаз которой обладает практически всеми элементами глаза нормального. По крайней мере, свет от тьмы он отличает.

Эти ископаемые ящерицы существуют несколько сотен миллионов лет, они – свидетели времен, когда третий глаз был не в диковинку. Его элементы сохранились у некоторых живых существ и по сию пору. О том, какую новую роль он, возможно, играет у птиц, мы еще расскажем. Поскольку третий глаз довольно чувствителен, с его помощью, видимо, осуществляют локацию по небесным светилам некоторые виды рыб, например, акулы и тунцы. Интересно, что, даже лишенные глазного зрения черви располагают достаточным количеством разбросанных по телу специальных нервных клеток, чтобы реагировать на свет!

Что мы видим из-под воды?

Подумайте: как видел под водой Ихтиандр – человек-амфибия? Ведь глаза-то у него, несмотря на его переделку в подводного жителя, оставались человеческими. Наверно, так же, как и нам, для подводного зрения ему были нужны очки или маска. Но дело в другом: глядя из-под воды вверх на небо, он оказывался в положении всех «зрячих» подводных обитателей. А мир из-под воды воспринимается иначе, чем когда его наблюдают, находясь на суше.

Роберт Вуд (1868–1955) – американский физик. Прослыл виртуозом и чародеем эксперимента. Стал пионером фотографирования в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах, использовал их для сигнализации. Внес большой вклад в создание ультразвуковой техники. Изобретал оригинальные приборы, в том числе подсказанные наблюдениями и опытами с животными и растениями.

Автор романа «Человек-амфибия» подробно описывает непривычное нам зрелище: «Ихтиандр был без очков и поэтому снизу видел поверхность моря так, как она представляется рыбам: …не плоской, а в виде конуса, – будто он находился на дне огромной воронки». Эту интересную картину вы можете, нырнув, увидеть и сами. Только бы воздуха в легких хватило на время, пока успокоится вода.

Этот эффект объясняется тем, что световые лучи, идущие сверху, из воздуха, к глазу наблюдателя, испытав преломление на границе воздух – вода, образуют конусообразный пучок. Из-за этого рыба под водой видит все, что расположено над ней, так, будто изображение сжимается. Вот и возникает так называемый эффект рыбьего глаза.

Им заинтересовался уже упоминавшийся в этой книге американский физик Р. Вуд. Ему пришло в голову, что можно сконструировать фотоаппарат, позволяющий получить изображение на снимках, подобное тому, что видит рыба. Для этого он изготовил заполняемый водой ящик, с одной стороны которого вставлялась фотопластинка, а отверстие с другой стороны закрывалось маленьким непрозрачным квадратом с процарапанным посередине круглым «окном». Поскольку эта крышка была стеклянной, вода из камеры не просачивалась наружу.

Изобретение Вуда позволило получить снимки, представляющие мир таким, каким его видят подводные обитатели. Рисунок с одного из них приведен ниже. Это сфотографированный из-под воды мост. Видно, что он фактически целиком уместился на фотографии. Но это оказалось возможным за счет серьезного изменения его внешнего вида – нарушения пропорций. Центральная часть моста выглядит практически так же, как на обычной фотографии, но чем дальше в сторону, тем сильнее изогнуты на снимке прямые линии и больше искажение.

Картина мира, увиденного благодаря подобным изобретениям «нечеловеческими» глазами, содержит информацию о том, что может происходить в любой оптической системе. Каждая линза, прозрачное стекло или зеркало, входящие в их состав, приводят к каким-либо искажениям изображения.

Однако возможно так комбинировать элементы системы, чтобы они компенсировали изъяны друг друга. Современные телеобъективы содержат порой больше десятка различных линз. Чтобы их суммарное воздействие давало как можно менее искаженное изображение, эту сложную конструкцию приходится рассчитывать с помощью специальных компьютерных программ.

Сколько света нужно глазу?

Мы уже говорили о том, как регулируется освещенность сетчатки человеческим глазом – изменением величины зрачка. Но если у человека при этом форма зрачка сохраняется, а меняется лишь размер, то у других существ при изменении попадающего в глаз светового потока форма зрачка отступает от привычной для нас круглой.

Взгляните, например, какими становятся зрачки у ящерки геккона и у тюленя при попадании яркого света в их глаза.

Тюленю необходимо менять величину зрачка и потому, что он ведет жизнь в условиях разной освещенности, и потому, что ему приходится бывать в разных средах. Вынырнул из воды – солнце сияет так, что слепит глаза, да их еще и на резкость надо в воздухе настраивать. Нырнул за рыбкой в глубину, а там темень, кажется, хоть глаз выколи, да еще вода – помните? – по-иному преломляет лучи. Вот и приходится тюленю регулировать размером и формой зрачка освещенность чувствительных элементов сетчатки, чтобы более или менее хорошо видеть и в воде, и в воздухе. Правда, ученые не исключают использование этими млекопитающими, как и дельфинами, эхолокации, если в воде очень темно или она совсем мутная.

Ящерка же сужает зрачок подобно обычной кошке. Днем узкая вертикальная щелочка ее зрачков порой даже не видна. В некоторых окраинных районах Китая жители даже узнают время не по часам, а смотря в глаза кошкам. В течение светового дня размеры и форма их зрачков меняются со временем так, что по ним можно неплохо определять время.

Однако как бы ночью кошка ни таращила глаза, как бы ни расширяла свой круглый зрачок, этого было бы мало, чтобы видеть так хорошо, как это ей удается. Ведь ей достаточна освещенность в 6 раз меньшая, чем человеку! Почему же она обладает столь острым зрением практически при полном отсутствии света?

Ответ вы найдете в отблесках кошачьих глаз, которые заметны, когда она оборачивается даже на слабый источник света. Хоть и говорят, что в темноте у кошки глаза светятся, свет этот не ее собственный. За сетчаткой в ее глазах расположен специальный слой, который, будто зеркальце, отражает почти все попавшие в глаз лучи и возвращает их к сетчатке для, так сказать, повторного использования.

Таким образом происходит как бы суммирование света, в отличие от тех случаев, когда при очень большой освещенности часть лучей необходимо поглотить тканями глаза. Это нужно, чтобы чувствительные элементы «не зашкалило», – так же, как засвечивается фотопленка. Поглощение избыточного света происходит, например, у дневных птиц, высматривающих добычу с высоты, и это способствует остроте их зрения.

Можно сказать, что в темноте кошачий глаз работает с высоким коэффициентом полезного действия, стараясь не потерять ни капли попавшего в него света. Подобными зеркальцами природа оснастила многих животных, ведущих ночной образ жизни, либо обитающих в пещерах или глубинах океана. Здесь можно назвать и других представителей семейства кошачьих, лис и медведей, акул, а также крокодилов и лягушек. Технологию изготовления некоторых типов подобных зеркал люди начали осваивать всего лишь полвека назад.

У растений – свои способы улавливания света. Вы не замечали, что форма многих цветков чем-то напоминает тарелки приемных антенн? Действительно, собирая, концентрируя таким образом световую энергию, цветы способны повысить температуру внутри себя на несколько градусов.

Сравнения живых приемников света с искусственными устройствами возникают порой в наших рассказах ненароком. А для инженеров и конструкторов оптической техники овладение методами регулировки освещенности приборов может стать условием успеха в работе.

Как лучше настроиться на резкость?

Тем, кто привык фотографировать не автоматическими камерами, а собственноручно настраиваемыми аппаратами, хорошо знакомо понятие «наводка на резкость». Мы уже отмечали, что изменить преломляющую силу изготовленного из твердого стекла объектива так же, как это делают мышцы с упругим хрусталиком глаза, не удается. Поэтому, чтобы изображение получалось резким, линзы фотоаппарата необходимо передвигать относительно пленки.

Интересно, что подобный способ «наводки на резкость» обнаружен и в природе. На рисунке видно, что происходит с глазом рыбы, пытающейся настроить его на рассматриваемый предмет.

С самим хрусталиком ничего не делается, но мышцы глаза передвигают его целиком вперед или назад, обеспечивая положение, приводящее к наилучшей четкости изображения. Разве не похоже на работу фотоаппарата?

Томас Юнг (1773–1829) – английский физик, врач и астроном. Успешно работал в области науки и техники. Дал правильное объяснение явлению аккомодации глаза, стал одним из основателей волновой теории света, разработал теорию цветного зрения, развитую впоследствии Г. Гельмгольцем. Занимался акустикой, был знатоком музыки и играл едва ли не на всех существующих в то время инструментах.

Таким же изобретением располагают и кальмары. Кстати, глаза кальмаров – одни из самых больших в царстве животных: их диаметр достигает 25 сантиметров. Больше, чем некоторые автомобильные фары! Понятно, для чего нужны кальмару такие огромные глаза, – в темных водах океана приходится собирать слабые световые потоки с как можно большей площади. Так же и телескоп – чем крупнее его линзы или зеркала, тем лучше с его помощью можно разглядеть далекие звезды и галактики.

Знание устройства глаз различных животных, прежде всего способов их «настройки на резкость» и регулировки освещенности, подсказывает нам, как исправлять дефекты наших собственных органов зрения. Ведь, скажем, близорукость и дальнозоркость связаны с невозможностью сфокусировать хрусталиком световые лучи так, чтобы изображение предмета попало на сетчатку. Если они пересекаются ближе или дальше нее, человек видит «размытое» изображение.

Чтобы устранить эти дефекты зрения, люди давно, несколько столетий назад, начали использовать очки. Раньше, кстати, чем разобрались с «работой» глаза. Однако чем лучше они узнавали его строение, тем больше возникало возможностей для совершенствования этих помогающих нам приборов.

Впервые объяснил действие очковых линз Иоганн Кеплер. Однако аккомодацию – самонастройку человеческого глаза на резкость – он представлял происходящей примерно так же, как у рыб и кальмаров. Должно было пройти почти двести лет, чтобы к началу XIX века появилось современное объяснение этого явления.

В настоящее время, помимо обычных рассеивающих линз для близоруких и собирающих – для дальнозорких применяют и составные, «четырехглазые» очки (вспомните стрекозу!), контактные линзы, солнцезащитные очки, причем среди них есть и такие, которые изменяют прозрачность в зависимости от освещения.

Чем хорош мушиный глаз?

Одно из недавних изобретений – использование в качестве очков безлинзовых дырчатых пластинок с темным покрытием, в которых при помощи лазера просверлены с определенной периодичностью небольшие отверстия. Человек смотрит через такие очки, словно сквозь своеобразную сетку, получая как бы множество отдельных изображений, сливающихся в глазу в одно. Разумеется, чтобы привыкнуть к ним, нужна некоторая тренировка, но зато потом зрение улучшается.

Оказывается, и в природе существуют такие глаза, в которых изображение, правда, без всяких дополнительных устройств, принимается по множеству «каналов». Такими фасеточными (мозаичными) глазами природа одарила насекомых, например мух, пчел и стрекоз. Однако принятые маленькими линзочками изображения не попадают, как у нас, на общую сетчатку, а действуют в каждой ячейке (омматидии) на свои отдельные зрительные рецепторы.

Какие преимущества имеет подобное устройство? Во-первых, с его помощью увеличивается обзор. Пара таких глаз позволяет насекомому видеть фактически все окружающее пространство. Это «техническое решение» природы было использовано людьми при создании фотокамеры «мушиный глаз». С ее помощью получались довольно занятные снимки, представляющие собой мозаику из множества чуть отличавшихся друг от друга изображений.

Еще одна область применения сходного искусственного глаза – создание камер для приема космических лучей, падающих на Землю со всех сторон. Их удобно регистрировать с помощью прибора, составленного из множества ячеек, ориентированных по разным направлениям.

Во-вторых, выяснилось, что фиксация и передача изображения фасеточным глазом от одного нервного окончания к другому позволяет насекомому определять скорость движущегося предмета. И эта особенность также была использована людьми при создании аппаратуры, предназначенной для слежения за летающими объектами.

В глазу мухи примерно 4 тысячи ячеек, в каждом двойном органе зрения стрекозы – 28 тысяч. Несмотря на такое количество отдельных «глазков», насекомые видят, в общем-то, неважно по сравнению, например, с человеком, уступая ему по остроте зрения примерно в двести раз. Так приходится расплачиваться за широкий обзор и умение быстро реагировать на движение окружающих предметов – что ж, видимо, насекомым это важнее.

С другой стороны, с помощью компьютерных моделей исследователи недавно выяснили, что в условиях слабой освещенности пчелы умеют складывать сигналы от соседних «глазков». Это дает возможность летать почти в полной темноте.

Мы противопоставили устройство таких составных глаз строению нашего органа зрения. Однако в последние годы генетические исследования швейцарских ученых поставили под сомнение существующую теорию различного происхождения глаз насекомых и других животных. Похоже, что оно у них все-таки общее. Об этом свидетельствуют совпадения в наследственных программах самых разных существ. Причем в этот ряд попадают даже безглазые простейшие черви. Неплохое соседство?

Кем видимы невидимые лучи?

Любопытнейшее животное обитает на побережьях Северной Америки и Азии. Это мечехвост, ведущий ночной образ жизни, причем большую часть времени лежащий, зарывшись в песок. Более чем за триста миллионов лет мечехвост практически не изменился.

Самое удивительное у этого посланца из прошлого – его глаза. Их не три, не четыре, а девять, причем два – фасеточные, но главное не в их количестве, а в особой чувствительности. Зачем она ему при таком образе жизни, не совсем понятно.

Тем не менее, подробное изучение фасеточных глаз мечехвоста привело к выводу, что их фоторецепторы соединяются между собой особым образом. Когда один стимулируется светом, действие другого подавляется. В результате на сетчатке крупных фасеточных глаз образуется весьма контрастное изображение. Причем контролируется изменение чувствительности мозгом с помощью дополнительных глаз и фоторецепторов, расположенных в… хвосте.

Это открытие очень помогло при создании телевизионных систем, для которых большое значение имеет четкость передачи изображения. И дело не только в обычных телепередачах. Подумайте, как важно располагать подобной системой, когда проводится съемка земной поверхности с самолета или нужно передать на Землю изображение планет и их спутников с космических аппаратов.

Более того, мечехвост оказался способен к приему невидимых нами ультрафиолетовых и инфракрасных – тепловых – лучей, а также поляризованного света. Первые из названных лучей воспринимаются также некоторыми насекомыми, например муравьями и пчелами. Когда муравьев подсадили к окуляру телескопа, направленного в тот сектор неба, где человек ничего не различал, они сразу оживились. Позже было подтверждено, что их реакция определялась идущим из космоса ультрафиолетовым излучением.

Выяснилось, что в этом, ультрафиолетовом, свете цветы, с которых пчелы собирают нектар, выглядят совсем иначе, чем в видимом. При съемке в ультрафиолетовых лучах на лепестках цветов обнаружены узоры, указывающие пчелам направление к нектарнику.

А поляризованный свет, как установлено совсем недавно, служит пчелам для ориентации в пасмурную погоду. Когда солнце закрыто облаками и свет, казалось бы, равномерно рассеян, степень его поляризации тем не менее не одинакова в разных направлениях. Вот эти невоспринимаемые нами различия ощущаются пчелами – те же самые чувствительные к ультрафиолетовым лучам глазные ворсинки (!) играют и роль антенн для улавливания поляризованного света. Знаете, как добиться улучшения качества приема радио- или телепередач? Нужно повертеть антенну. Так и пчелы, покрутившись на месте, находят нужное направление по наибольшей интенсивности принятого сигнала (поляризованного света).

Может быть, результаты дальнейших исследований фасеточных глаз помогут создателям новых оптических приборов для навигации.

На что похож глаз паука?

Теперь вам, наверное, не так-то легко будет ответить на вопрос, у кого больше глаз. Добавим еще одного рекордсмена – австралийского паука-скакуна. Интересен он, правда, не столько количеством органов зрения – их у пауков всегда было с избытком, – сколько своим поведением.

Было известно, что пауки либо плетут сети для ловли насекомых и тогда ведут довольно оседлый образ жизни, либо охотятся за насекомыми на земле и растениях, стремясь их настигнуть, то есть оказываются весьма подвижными. Этот паук, в отличие от других, и плетет паутину, и охотится без нее, причем насекомым предпочитает своих сородичей. Чтобы увидеть жертву на расстоянии, ему и нужны четыре пары глаз, дающие практически полный обзор.

Правда, боковые глаза необходимы только для первоначального сигнала – «здесь кто-то есть». Затем паук разворачивается «лицом» к интересующему его объекту и с помощью двух главных глаз определяет, свой это или чужой, враг или жертва. Тут-то ему и требуется более острое зрение, чем оседлым паукам, которые без опаски могут подбежать к запутавшейся в паутине добыче. Здесь же приходится на всякий случай выдерживать дистанцию.

Отчего же и на расстоянии этот паук неплохо видит? Каждый из его главных глаз – составной, словно подзорная труба. Помимо напоминающей наш хрусталик собирающей линзочки, в конце идущего от нее в глубь тела светопроводящего отростка имеется углубление. Оно действует на световые лучи как рассеивающая линза, а это приводит к тому, что расходящийся от нее пучок света попадает на большую площадь сетчатки, то есть на большее число нервных окончаний. В результате острота зрения заметно возрастает, и паук может обнаружить добычу на расстоянии до 30 сантиметров, что для этих существ весьма неплохо.

Интересно, что подобные оптические системы были затем обнаружены и у зорких хищных птиц. Подумайте только, ведь беркут видит зайца с расстояния два километра, а сокол-сапсан замечает голубя за километр. «Паучье приспособление», расширяющее угол, под которым виден предмет, обеспечивает птицам сильное зрение при относительно малых размерах головы.

Этим не исчерпываются оптические «находки» у пауков. Например, некоторые из них покрывают свои ловчие сети отражающим ультрафиолет веществом. Тем самым крупные насекомые, например, кузнечик, могут быть отпугнуты необычным для них излучением и не порвут паутину. А мелкие, опыляющие растения и привыкшие к тому, что ультрафиолет означает полный нектара цветок, окажутся в ловушке.

Эти модернизированные сети, как выяснили японские ученые, заманивают на 70 процентов больше насекомых, чем паутины без подобных хитростей! Можно считать, что очередная паучья загадка разгадана. Какая следующая?

Зачем менять свою окраску?

Задумывались ли вы над тем, что при огромном разнообразии окраски шкур млекопитающих практически не встречается шерсти зеленого цвета? Правда, есть такие животные, как некоторые мартышки с шерстью зеленоватого оттенка, но это скорее исключение из правил. В то же время большинство растений – зеленые. Почему так устроила природа?

Дело в том, что в состав шерсти млекопитающих входят два пигмента, придающие ей либо черно-коричневую, либо желто-оранжевую окраску. Сочетание этих пигментов и создает палитру цветов их шкур. Но, казалось бы, такие цвета должны бросаться в глаза на фоне зеленой растительности, «выдавать» животное.

Нет, говорят исследователи-биологи. Мелкие животные, нуждающиеся в защитной окраске, живут в основном на земле. Почва, высохшие листья, побуревшая трава – все это отнюдь не зеленого цвета. А потом, в основном охотятся на «малышей» другие млекопитающие, хищники, цветное зрение которых обычно слабое, поэтому зеленый цвет шкуры вряд ли помог бы животным укрыться.

Мимикрия – способность маскироваться, подстраиваясь под окружающую среду, – чрезвычайно интересная тема исследований ученых на протяжении многих столетий. Поражают изменения окраски пауков или осьминогов, хамелеонов или рыб. Ведь одно дело – просто найти место, схожее по цвету со своей шкурой или кожей, и затаиться в нем. Другое – изобразить сухую веточку или свернувшийся листик, как это делают некоторые насекомые. И совсем особое – изменить цвет.

Здесь остается еще много загадок. Например, как только не воздействовали на хамелеона, пытаясь заставить его перекраситься! Меняли цвет клетки, температуру, пугали – никакой реакции. Однако стоило поместить в соседнюю клетку живую змею, как хамелеон стал быстренько темнеть, пытаясь слиться с окружающей обстановкой. А такой феноменальный маскировщик, как камбала,даже может «окрасить» свое тело, как шахматную доску!

Может быть, результаты исследований в этой области пригодятся конструкторам космических аппаратов. Представьте, как было бы здорово, если бы они обладали оптическими покрытиями, способными менять цвет в зависимости от удаления от Солнца, регулируя этим количество поглощенной энергии. Тогда значительно упростилась бы задача поддержания внутри космических аппаратов постоянной температуры.

Джон Ульям Стретт (лорд Рэлей) (1842–1919) – английский физик, основоположник теории колебаний и волновых процессов. Использовал общие закономерности, открытые в явлениях различной природы, плодотворно перенося результаты исследований из одной области в другую. Добился успехов в акустике и оптике, создал теорию оптических приборов, теорию рассеяния света, объясняющую голубой цвет неба. Исследовал природную окраску животных и насекомых.

Как вы думаете, что общего между бабочками, жуками, виниловыми пластинками для проигрывателя и компакт-дисками? Крылья бабочек и надкрылья жуков так же переливаются разными цветами, как и пластмассовые пластинки или компакт-диски с металлическим напылением.

Совпадение связано с наличием и там, и там множества мелких бороздок, на которых белый свет разлагается, образуя радугу. Использование этих особенностей света дало возможность разработать спектральные приборы. А изучение спектра, наблюдаемого на прозрачных крылышках стрекозы, привело, в конце концов, к созданию методов контроля качества изготовления поверхностей и появлению специальных пленок, наносимых на объективы фотоаппаратов для уменьшения отраженного света.

Что именно видит лягушка?

Попробуйте поставить себя на место лягушки, одна из важнейших задач которой – ловля насекомых. Казалось бы, что тут такого – увидел комара или муху, дождался, чтобы жертва подлетела поближе, и схватил языком. И в этом случае, и, кстати, в том, когда ловят стрекоз или бабочек сачком, главное – сначала обнаружить объект охоты. У лягушки это происходит особым, отличным от млекопитающих образом.

Экспериментами подтверждено, что на неподвижных, только что убитых насекомых она не реагировала, даже если их раскладывали под ее носом. Однако если из кусочка тряпки или бумаги изготавливали «модель», напоминающую формой насекомого, лягушка хватала ее, стоило той прийти в движение. Такое поведение заставило ученых внимательнее отнестись к изучению лягушачьего глаза.

Оказалось, что он работает, как бы производя детектирование – регистрацию – на четырех уровнях. Отдельно фиксируется контрастность изображения – то, насколько выделяется предмет на окружающем его фоне, – помните, мы обсуждали ее в рассказе о мечехвосте. Определяется форма объекта, – схож он с насекомым или нет (лягушку больше интересуют округлые предметы). Третий уровень касается движения. И последний, четвертый, позволяет реагировать на внезапное затемнение значительной части поля зрения, что может быть сигналом опасности, например, тенью ястреба.

Получается, что глаз лягушки очень избирателен – он видит только то, что хочет. Самое важное для него – движение и форма, а всякие «мелкие» детали вроде ног, очертаний крыльев насекомого и числа его глаз им не различаются.

Конструкторы и инженеры создали несколько приборов, в той или иной степени имитирующих глаза лягушки. Один из них точно улавливает радиоэхо, образованное на экране локатора движущимся самолетом или судном, не смешивая его ни с каким другим объектом, и фиксирует все необходимое.

Понятно, что подобная система оказалась весьма кстати для работы в морских портах и на аэродромах. Ведь диспетчеру важно не перепутать движущиеся самолеты или суда, «развести» их, не дав столкнуться.

Еще одна сфера применения подобных регистрирующих устройств – создание автономных машин. Скажем, не так давно в Калифорнийском университете была сконструирована модель жабы-робота. В искусственном мозгу было записано множество сведений о поведении реальной жабы. Поэтому робот мог прыгать, идти в нужном направлении, плавать под водой и – главное – ловить насекомых.

Это область исследований, активно развивающаяся в последнее время. Их цель – не только найти у живых существ что-то полезное для людей и применить в наших интересах, но и попытаться больше узнать о них самих.

Кто сам себе светит?

«Крот взял в рот гнилушку – в темноте ведь гнилушка светит все равно что свечка – и пошел вперед, освещая длинный и широкий коридор». Эта фраза – из андерсеновской «Дюймовочки». Вот, оказывается, каким необычным может быть источник света. Почему же до сих пор мы говорили только о том, как воспринимают свет различные организмы, но не о том, как они его излучают?

Нет-нет, мы не думаем возвращаться к давней идее испускания света глазами. В живой природе оказалось немало реальных источников излучения.

Найдены свидетельства внимания к «живому» свету в Древнем Китае, позже в Древней Греции Аристотель обнаружил свечение разлагающейся рыбы. Но прошло достаточно много времени, прежде чем к изучению этого явления подошли действительно по-научному.

В XVII веке английский ученый Р. Бойль отметил, что есть что-то общее между процессами горения угля и излучением «холодного света» гниющими деревьями. Откачивая пневматическим насосом воздух над светящимися объектами, он обнаружил, что излучение при этом исчезает. Вывод был таким: кислород для излучения так же необходим, как и для горения. Иными словами, была обнаружена химическая природа этого явления, названного биолюминесценцией.

Роберт Бойль (1627–1691) – английский химик, физик и философ. Изучал световые явления, теплоту, электричество и акустику. Сформулировал понятие химического элемента, исследовал капиллярные явления, открыл один из основных газовых законов. Описал первые наблюдения цветов тонких пленок. С помощью усовершенствованного им воздушного насоса провел опыты, прояснившие природу «живого света» – биолюминесценции.

И светлячки, и гниющая рыба, и светящиеся гнилушки, и морские микроорганизмы испускают лучи в том случае, если накапливается избыток энергии при протекающих в них биохимических процессах. Свет служит «каналом» для «сброса» этой энергии. Правда, у живых существ он может использоваться и как способ сигнализации (таковы, например, импульсы излучения светлячков).

Интересно было бы технически осуществить переход химической энергии непосредственно в световую – так, как это делается у живых существ. Ведь это происходит с очень высоким коэффициентом полезного действия. В то же время самые совершенные лампы дневного света теряют на тепловое излучение заметную долю энергии.

«Живой свет» нужен и глубоководным обитателям морей и океанов. Там, в кромешной тьме, приходится в буквальном смысле носить источники света с собой – так же, как мы отправляемся с фонариком в темный погреб или ночной сад. Свечение позволяет подводным жителям опознавать друг друга, приманивать добычу или отпугивать хищника.

Возможно, биолюминесценцию морских обитателей удастся использовать и нам в решении непростой задачи обнаружения подводных судов. Поскольку микроорганизмы, как и другие существа, излучают свет, в том числе и в ответ на внешний раздражитель, то проходящая подводная лодка может и спровоцировать их на это. А неожиданно возникший светящийся след зарегистрирует самолет или спутник.

Биосенсорика

Неодолимому влечению подвластны,
Блуждают отзвуки, сливаясь в унисон,
Великий, словно свет, глубокий, словно сон;
Так запах, цвет и звук между собой согласны.

Ш. Бодлер.

Сенсорика – это область чувств, точнее, ощущений. Может показаться странным, что мы объединяем это слово с приставкой «био». Действительно, механика, архитектура, энергетика, да и акустика – те направления человеческой деятельности, которые, в общем-то, долгое время могли развиваться вполне обособленно от подсказок природы. И только наши желания или любопытство, наша воля или неудовлетворенность сделанным заставляли обращаться к ней, «подслушивать» и подсматривать, не предложит ли нам она что-нибудь получше того, что мы придумали сами.

Но вот ощущения – они ведь и так неразрывно связаны с живыми существами, без которых такого понятия просто и не было бы. Поэтому в данном случае, когда мы хотим сконструировать чувствующие – сенсорные – системы, мы полностью зависим от живой природы, должны «слушаться» ее, да и вряд ли по-другому сможем. Более того, официальная, так сказать, бионика и началась в XX веке с задачи моделирования разных органов чувств.

Взгляните на картинку, приведенную у эпиграфа к этой главе. На ней изображена карикатура на искусственного человека, составленного из технических достижений примерно столетней давности. Можно разглядеть фонограф – звукозаписывающий прибор, электрические лампы, дугообразный магнит, телефонную трубку и встроенную в грудь кинокамеру. Но едва ли такой «робот» мог тогда хоть в чем-то соперничать с человеком, прежде всего – в копировании органов чувств. Хотя к нему и пририсованы подобия глаз и «слуховые» провода, а руки снабжены какими-то измерительными приборами, слышать, видеть и осязать, конечно же, он был не в состоянии. А что уж говорить об обонянии и вкусе!

Нельзя сказать, что за прошедший с тех пор век мы продвинулись так далеко, что уже смогли бы оснастить рукотворного человека всеми сравнимыми с нашими органами чувств. Если приемники света и звука близки по чувствительности своим природным аналогам, то о датчиках других ощущений этого пока не скажешь.

Трудности их воспроизведения связаны еще и с тем, что вся идущая извне разнообразная информация воспринимается нами порой целиком, сразу всеми рецепторными системами, «включенными» одновременно. Но мы разделяем ее, говоря, что на долю зрения приходится примерно девяносто процентов, на долю слуха – девять, хотя это не значит, что остальные три чувства, на которые выпадает, как видите, всего лишь одна сотая часть, играют незначительную роль.

А почему, кстати, мы решили, что их осталось три? Это первобытный человек воспринимал все непосредственно, не догадываясь, что в нас могут быть приемники еще каких-либо воздействий или чувства времени и равновесия. Глаз – значит зрение, ухо – слух, нос – нюх и так далее. Словно следуя далеким предкам, люди впоследствии определили только пять известных нам чувств.

Однако обращение к другим живым существам и более внимательный взгляд на самих себя сильно изменили за последнее время наши представления о чувствах. Сколько их на самом деле? Как соотносятся они между собой? Можно ли их обострить, сделать более чуткими? Способны ли мы воспроизвести их технически? Но обо всем по порядку…

Все ли мы знаем об осязании?

Гомункулюс – это по латыни «человечек». Изображенный на рисунке справа, он отражает восприятие нашим мозгом поверхности человеческого тела по степени ее чувствительности. Мы как-то привыкли связывать осязание прежде всего с пальцами рук. Это, конечно, верно, и вы видите, какими воистину огромными, хотя очень разными, предстают они в этом отображении по сравнению с другими частями тела.

Но ведь вы прекрасно знаете, насколько чувствительна наша кожа вообще, просто какие-то ее места оказываются более восприимчивы к прикосновению. Надо сказать, что обретение человеком голой кожи ученые относят к одному из признаков, отличающему нас от животных. До последнего времени считалось, что таких отличий три: прямохождение, рука, приспособленная к очень сложным движениям, и чрезвычайно развитый мозг.

Теперь к этому списку добавилась и кожа. Лишенная шерсти, она превратилась у человека в огромный рецептор, приносящий, наряду с другими органами чувств, массу дополнительной информации. Реакции на все большее число поступающих от нее сигналов способствовали интенсивному развитию мозга. Вообще осязание по важности для нас ставят на третье место – после зрения и слуха, поскольку в их отсутствие оно становится главным нашим информатором.

Что дают нам исследования кожи в практическом отношении? Во-первых, они важны для медицины. Ну, сколько же можно пересаживать при ожогах или пластических операциях кожу с одного места на другое или заимствовать ее у доноров? Как здорово было бы изготавливать искусственный заменитель, но вот беда: чувствительность у него не сравнима с тем, что придумала природа. Однако на этом пути в последние годы наметились некоторые сдвиги. Созданы полимерные заменители, которые со временем рассасываются, способствуя восстановлению, выращиванию нашей обычной кожи, правда, без волос и потовых желез.

Во-вторых, почему мы должны «обижать» роботов и не дополнить их звуковые и слуховые анализаторы еще и тактильными, то есть способными ощущать прикосновение, давление и растяжение. Ведь вооруженный таким образом робот мог бы на ощупь определять размеры и форму предметов. А значит, в еще большей степени взять на себя наши функции, в особенности в опасных для человека ситуациях.

Жан Батист Ламарк (1744–1829) – французский естествоиспытатель. Первым предложил теорию о естественном возникновении и развитии живой природы. Занимался систематикой и классификацией растений и животных. Впервые широко ввел название науки о жизни – биология. Считал возможным «открыть физические причины способности чувствовать – …способности, присущей столь многим животным».

Отметим, однако, что исследования нашей кожи приносят и определенные сюрпризы. Так, недавно выяснились неожиданные особенности в реакции человеческого организма на прикосновения.

В чем заключался опыт? Сперва касались какой-то точки кожи два раза подряд. Если затем, сделав небольшую паузу, притронуться к другой точке, неподалеку от первой, то каждая из них довольно верно отразит – ощутит – место касания. Но стоит сократить паузу между касаниями до одной четверти секунды и меньше, то ощущение касаний в первой точке сместится со своего «истинного» положения. Это происходит не везде, а лишь на определенных участках кожи. Рисунок слева показывает, например, как они располагаются на нашей руке.

Безусловно, было бы желательно избежать таких «фокусов» при оснащении искусственной кожей различных создаваемых конструкторами устройств. Рецепторы одного и того же типа не должны мешать друг другу и не вводить в заблуждение наших помощников-механизмов, иначе вместо сообщения нам достоверной информации, они невольно будут нас «обманывать».

Для чего утконосу такой нос?

Кто в живом мире может соперничать с человеком в области осязания? Оказывается, таких существ немало. Одно из них – утконос, поразивший многих исследователей самыми разными особенностями своего организма. Он как бы составлен из нескольких животных, позаимствовав у них и перепончатые лапы, и способность класть яйца, и выкармливать детенышей молоком. Как все это ни занимательно, остановимся сейчас на чудесных свойствах его клюва, обнаруженных не так давно.

Как вы думаете, на какие из органов чувств он может положиться, когда ныряет за пищей? Глаза у него закрыты, уши тоже, да и ноздри при нырянии он сжимает: воздуха где-то на полторы минуты пребывания под водой ему хватает. Казалось бы, он вообще отрезан от внешнего мира. Палочкой-выручалочкой этому животному служит его нос, или клюв, из-за формы которого он и получил свое название.

Это – необыкновенно чувствительная «приемная станция». Вся поверхность носа покрыта рецепторами, причем двух сортов. Первые из них – тактильные – включены в работу, когда утконос плывет в так называемом режиме патрулирования. При этом голова его ходит влево-вправо, совершая 2–3 движения в секунду.

Как только осязательные рецепторы дают сигнал о возможной добыче, поведение утконоса меняется. Он переходит в другой режим, именуемый поисковым, когда нос совершает мелкие, как бы ощупывающие движения у «подозрительного» места. Но здесь уже главную роль берут на себя электрорецепторы, реагирующие на слабое электрическое поле, которое производится личинками насекомых и мелкими рачками, составляющими основу пищи утконоса.

Не будем забегать вперед, об электрических сигналах и способах их улавливания разговор еще впереди. Пока же отметим, что высокая осязательная чувствительность у некоторых животных может подсказать нам некоторые важные решения. Например, изучение плавающего под водой бобра дало такой результат. Стоило его ноздрям оказаться в воде, так тут же все процессы в организме начинали перестройку. Схожие изменения наблюдаются под водой у животных-ныряльщиков: усиливается приток крови к жизненно важным органам и одновременно уменьшается частота биения сердца, чтобы сократить общую потребность в кислороде. У бобра эти механизмы перемены поведения включаются расположенными в носу рецепторами.

Оказывается, и наш нос располагает чем-то подобным. Так вот, некоторые хирурги во время операций на открытом сердце погружали лицо больного в холодную воду при учащении сердечного ритма. Этого было достаточно, чтобы через некоторое время ритм нормализовать и продолжать операцию.

Но на что именно реагируют в таких случаях рецепторы – на само прикосновение жидкости или на ее температуру? Дело в том, что разделить рецепторы «по специальности» не всегда удается. Например, еще в XVII веке на передней части головы акулы, особенно в области ее рыла, были обнаружены крохотные, напоминающие поры, отверстия, они вели в углубления – ампулы, устланные чувствительными клетками. Более трехсот лет оставалось загадкой, рецепторами чего являются эти клетки, пока ученые не пришли к согласию: ампулы – орган комплексного чувства, фиксирующий и температуру, и соленость, и давление воды, а также изменение электрического поля. Завидная многопрофильность, не правда ли?

Как защищают нас органы чувств?

Время от времени на прилавках магазинов появляется в продаже мойва. Это небольшая, длиной сантиметров двадцать, серебристая морская рыбка. Интерес, правда, у нас к ней не гастрономический, а связан с тем, как ведут себя ее личинки, только-только выклюнувшие из икры. Такого поведения не наблюдается ни у одной из других морских рыб.

Происходит это на побережье Северной Америки, где идет нерест мойвы. Особенности его в том, что икра откладывается прямо на берегу, периодически омываемом волнами. Выклюнувшиеся личинки задерживаются там, словно чего-то ждут, а в море уходят лишь тогда, когда ветер и вода сообщат им определенные сигналы.

Например, в том случае, если ветер дует с берега и относит от него теплую воду, на ее место со дна поднимается вода холодная, с которой к берегу подплывают хищники – медузы, кальмары и питающиеся личинками мойвы рыбы. Опасно выплывать, да и есть малышам нечего.

Теперь взгляните на рисунок. На нем изображена обратная картина. Ветер сменил направление, гонит к берегу воду теплую, насыщенную планктоном – кормом для личинок, и они отправляются в море, не боясь уже отступивших вглубь хищников. Рецепторная система этих недавно появившихся на свет существ активно реагирует на изменение температуры воды и четко сигнализирует им о том, как надо себя вести, чтобы оказаться и в безопасности, и при пище.

Терморецепция служит хорошим примером защитной роли органов чувств. Она оказывает очень сильное влияние на организм, причем она связана и с такой важной системой, как иммунитет. Почему врачи рекомендуют нам проводить закаливающие процедуры – например, контрастный душ или обливание холодной водой? А кое-кто из людей прекрасно чувствует себя и при купании в ледяной проруби, это так называемые «моржи», здоровью которых действительно можно позавидовать.

Резкие смены температуры дают сигнал мобилизоваться защитным силам нашего организма. И вовсе не только нашего, человеческого. Так, отечественные ученые провели эксперименты по купанию в ледяной воде самых обычных крыс. Та группа, которую закаливали водными процедурами, оказалась более устойчивой по отношению к самым разным неблагоприятным внешним воздействиям. И кто бы мог подумать, эти крысы-«моржи» даже из сеанса с рентгеновским облучением вышли с меньшими потерями, чем их изнеженные, незакаленные собратья.

Упомянем об удивительных случаях переносимости человеком высоких температур, например, теми, кто может ходить голыми пятками по тлеющим углям. Вообще-то поверхностный слой нашей кожи выносит без ожогов и обморожения нагрев почти до ста градусов по Цельсию и охлаждение до нуля градусов. Но как выдерживают такие перемены внешних условий сами рецепторы?

Оказалось, что о каких бы органах чувств мы ни говорили, природа позаботилась о том, чтобы живые существа не воспринимали внешнее воздействие прямо пропорционально его изменению. Поясним это несколькими примерами на человеке.

Густав Фехнер (1801–1887) – немецкий физик, психолог и философ. Проводил исследования по электричеству и оптике, изучал цвета. Один из основоположников психофизики. Способствовал внедрению математических методов в психологию, придав экспериментам физиолога Э. Вебера форму закона, названного в честь обоих ученых законом Вебера-Фехнера.

Если освещенность рассматриваемого предмета увеличилась в миллион раз, то нам кажется, что всего лишь – в несколько раз. Звучание рок-группы в сотни тысяч раз интенсивнее тихого разговора, а ухо воспринимает изменение громкости только в 10 раз. Если положить на ладонь грузик массой в несколько граммов и начать ее менять, то уверенно ответить, больше или меньше стал груз, можно лишь тогда, когда изменение достигнет примерно одной трети его массы.

Живые организмы, прежде чем начать на что-либо реагировать, как бы притупляют сильные внешние раздражители, но при слабых воздействиях, напротив, «призывают» все свои потенциальные сенсорные возможности. Непростая связь между реакцией того или иного органа и интенсивностью действующего на него возмущения описывается специальным психофизическим (связь психики и физиологии!) законом Вебера-Фехнера. Этот закон о зависимости между ощущениями и раздражителями необходимо учитывать, чтобы не спутать реакции естественных и искусственных «ощущающих» систем.

Кто лучше всех измеряет температуру?

Глаз человека не способен непосредственно реагировать на инфракрасные (тепловые) лучи.

Однако это излучение мы прекрасно ловим всем телом – идет оно к нам и от батарей водяного отопления, и от костра, и от Солнца во время загара. На цвет нашей кожи влияют, правда, иные – ультрафиолетовые – лучи, «жарко» же нам от лучей инфракрасных.

Но какого-то специального органа восприятия теплового излучения у нас нет. А вот у гремучей змеи есть оригинальный термолокатор, расположенный по обе стороны ее головы между глазом и ноздрей. На рисунке видно, что снаружи он представляет собой коническое углубление – воронку.

За ним располагается внутренняя камера, отделенная от воронки мембраной. Сама эта камера узким каналом сообщается с воздухом, поэтому имеет его температуру. Когда же змея направляет воронку на излучающий тепло объект, например, на притаившегося ночью зверька, передняя стенка мембраны нагревается. По обе ее стороны возникает разность температур, которую змея может улавливать с точностью до одной тысячной градуса! Считается, что это вообще самый чувствительный рецептор, которым располагает природа.

Термолокаторы, воспринимающие невидимые тепловые лучи, необходимы людям и для проведения каких-либо работ в темноте, и для разведки полезных ископаемых из космоса, и для ночных военных операций. Приборы ночного видения, в том числе и по подсказке змеи, созданы, и чувствительность у них хороша, да только такой компактностью и малым числом «деталей», каких добилась природа у животных, они похвастать пока не могут.

Интересное соединение терморецепции и изменения цвета демонстрирует полосатая ящерица урозаурус, живущая на пустынном юго-западе США. У самцов по обоим бокам брюшка и горла расположены броские пятна. Изменяя, в чем-то подобно хамелеону, их цвет и яркость, эта ящерка может отпугивать соперников или привлекать внимание самок. Однако выяснилось, что на окраску влияет еще и температура.

Опыты проводили и ранним утром, когда было прохладно и ящерицы имели тускло-зеленый цвет, и в полдень, когда при повышении температуры на несколько градусов их бока приобретали синий отлив. В прохладе ящерки малоподвижны, им лучше быть незаметными для хищников, но, прогревшись, они не боятся облачиться в яркий наряд, поскольку уже легко могут удрать от них.

Пока ученые только выясняют подробности механизма, связывающего окраску с температурой, можно вспомнить, что и такую, и подобных ей ящериц уже используют в качестве живых термометров, настолько четко их цвета соответствуют определенным градусам. Похожим, кстати, образом действует прибор под названием «индикатор настроения». Наше внутреннее эмоциональное состояние отражается на температуре кожи, а вот ее улавливает, меняя свой цвет, уже специальное пигментное вещество, которого ненадолго надо коснуться.

Можно ли обойтись без обоняния?

Еще одно, так сказать, традиционное чувство, которым мы располагаем, – обоняние. Если вы думаете, что по сравнению с главными из них – зрением, слухом и осязанием – им можно пренебречь, то серьезно заблуждаетесь. Прожить-то без него мы, конечно, проживем, да скольких ощущений лишимся!

А вот для многих земных обитателей жизнь в отсутствие возможности улавливать запахи станет просто невозможной. Недаром полагают, что эта способность возникла задолго до появления первого глаза и первого уха. И примеров тому великое множество.

Как, скажем, находят путь к месту нереста рыбы? Биологи утверждают, что по запаху родного дома. Даже лишенные зрения, рыбы сохраняют жизнеспособность, добывая пищу с помощью обоняния, по запаху же они определяют своих родичей и отличают врагов. Удильщики-рыбаки хорошо знают, чем их привадить, сдабривая наживку пахучими веществами.

Для того чтобы найти дорогу домой, муравьи метят ее специальными пахучими выделениями из желез на брюшке. Причем концентрация этих веществ настолько высока, что муравьи разбавляют их, прежде чем нанести метку. Вообще для большинства насекомых запахи – и средство общения, и способ защиты, и возможность завлечь жертву. А вот еще пример.

Если осу или пчелу прихлопнуть, когда она кого-то ужалила, то не исключено, что через какое-то время появятся и нападут на обидчика ее агрессивные родственники. Оказывается, из тельца убитого насекомого выделяется очень пахучее химическое соединение. Если поблизости гнездо или улей, оно вполне может донестись туда по воздуху и передать сигнал тревоги.

Чуют выходящие из земли перед извержением вулкана токсичные газы некоторые животные и растения. Возможно, такую их реакцию даже удастся поставить нам на службу в качестве предсказателя стихийного бедствия.

Как видите, запахи играют огромную роль в живом мире. Кое-что мы могли бы непосредственно позаимствовать у животных и насекомых, просто эксплуатируя их порой феноменальные способности.

Так, натаскивание собак на определенные запахи позволяет проводить разведку полезных ископаемых, как показано на рисунке. Более того, кое-кого из наших верных четвероногих друзей удалось приучить и к поиску утечек газа из трубопроводов. Подумайте, они могли установить положение 98 процентов трещин, причем в трубах, уложенных на четырехметровой глубине под землей и до двух метров – под водой. И это происходило, даже когда трубы были покрыты изоляцией! А при добавлении к транспортируемому газу вещества с запахом тухлого мяса можно обнаружить утечки, наблюдая за кружащимися над трассой грифами.

Мы, конечно, уступаем многим живым существам по способности чувствовать и различать запахи. Но, тем не менее, мы можем распознать до десяти тысяч их разновидностей! И знаете ли вы, что каждый из нас в силах заметить в воздухе ничтожное количество синтетического вещества, обладающего запахом фиалок. Это фантастически малая концентрация – одна его часть приходится на тридцать миллиардов частей воздуха!

Как распознать запахи?

Создание искусственного анализатора запахов оказалось проблемой, значительно более трудной, чем постройка оптических приборов или слуховых аппаратов. Наш выдающийся ученый, лауреат Нобелевской премии академик П. Л. Капица даже относил ее к одной из самых сложных и важных, на которые должна быть нацелена наука будущего, ставя задачу «догнать обоняние собаки».

Что ж, исследования в этой области развернулись широким фронтом. На приведенной рядом картинке изображен опыт, в котором ученые пытались определить, на какие именно запахи реагирует крыса и какова минимально улавливаемая ее обонятельными рецепторами доза пахучих веществ. Здесь был важен вопрос управления поведением животных с помощью запахов. Ведь их таким образом можно заманить в ловушку, отпугнуть и даже регулировать численность их потомства.

Интересные результаты принесло изучение рецепторных клеток, улавливающих запахи, у наземных животных и у тех, кто ведет водный образ жизни. Тем, кому приходится чуять запахи в воздухе, необходимо обладать бо́льшим количеством наследственных регуляторов, отвечающих за появление таких рецепторов, что и наблюдается у млекопитающих. У рыб же их раз в десять меньше. Как же «устраиваются» лягушки, для которых обе стихии – родные? Выяснилось, что у некоторых видов этих амфибий в действительности имеются два одновременно работающих органа обоняния: один приспособлен для улавливания запахов в воздухе, другой – в воде.

Однако о каком бы обонятельном рецепторе мы ни говорили, всякий раз дело сводится к тому, что мельчайшие частицы – молекулы – пахучего вещества должны быть расшифрованы, то есть отличены от других. Для этого в рецепторе надо бы иметь такие формочки, которые отвечают внешнему «облику» распознаваемой молекулы. Происходит, по мнению некоторых исследователей, что-то типа прикладывания одной половинки разорванной фотографии к другой, как это делали разведчики вместо называния пароля. Если «картинка» сходится, то рецептор посылает в нервную систему нужный сигнал, формирующий образ запаха, если нет, то… ищите другой рецептор. Это, правда, не единственное объяснение механизма обоняния, окончательной теории пока нет.

Тем не менее, уже существуют искусственные модели, которые химическим путем производят различение поступающих в них веществ, например, газоанализаторы. Создан прибор, разыскивающий по запаху трюфели – грибы, растущие под землей; электронный распознаватель запаха человека по выделениям его потовых желез; аппарат для определения места бурения нефтяных скважин. Но что поделать, их эффективность еще не всегда столь высока, как у природных аналогов, а главное – опять-таки несравненно бо́льшие габариты.

Где нуждаются в подобных устройствах? Прежде всего, как легко догадаться, в парфюмерии, этой фабрике запахов, в виноделии, в чайном и кофейном производстве. А еще – на таможнях, когда приходится проверять грузы на предмет провоза наркотиков. Каких только живых помощников, прекрасно справляющихся с этим делом, ни привлекают, – а это и собаки, и мангусты, и даже свиньи – их, к сожалению, не хватает.

И, конечно же, необходимы все более чувствительные сигнализаторы, реагирующие на малейшее присутствие в воздухе дыма – для предотвращения пожаров.

Все ли растения благоухают?

История донесла до нас легенду о страшной эпидемии чумы, поразившей французский город Марсель около трехсот лет назад. Четырем осужденным преступникам было поручено хоронить мертвых. Казалось бы, их ждет неминуемая гибель. Однако все четверо не заразились и остались живы, поскольку пили вино, настоянное на измельченном чесноке. Этот напиток, получивший название «уксус четырех воров», можно и сейчас попробовать во Франции.

Целебные свойства такого пахучего растения, а наряду с ним и лука, были известны давным-давно. И лишь в нашем столетии удалось выделить вещества, ответственные за столь резкие запах и вкус, что присущи этим растениям.

Кстати говоря, их качества умудрились использовать и птицы. Например, если скворцы, возвращаясь из дальних странствий, находят в своих гнездах каких-нибудь новых хозяев, скажем, воробьев, то они с шумом и криком их выселяют. После этого «квартира» подлежит дезинфекции. Выкидывается все чужое имущество – перышки, подстилка, и в очищенное гнездо птицы наносят такие пахучие растения, как мята, лук и чеснок. Где они их берут? Да на наших огородах.

Это свидетельствует о весьма развитой чувствительности к выделяемым из пахучих растений веществам как болезнетворных микроорганизмов, так и насекомых-паразитов. Впрочем, она присуща не только им, но и вообще насекомым. Ведь мы уже убедились, что цветы и в обычных условиях, и особенно при нагреве испускают привлекательные для их летающих опылителей ароматы. А насекомые способны почувствовать запах и за десяток километров!

Правда, порой он не играет решающей роли в поисках нектара. Это используется весьма интересным образом некоторыми растениями. Они так точно «знают» реакцию насекомых-опылителей, например, пчел, на запахи, цвет и форму, что способны подделываться под истинные производящие нектар цветы.

Такой случай мимикрии демонстрирует одна из орхидей, не выделяющая нектара, но имитирующая внешний вид колокольчика, у которого его хоть отбавляй. Однако пчела, не различая окраски цветов, посещает и орхидею, обеспечивая ее опыление.

А вот другой пример. Огромный цветок одного из видов многолетних трав – аморфофаллуса титанического, произрастающего на острове Суматра в тропической Азии, выделяет такой запах, что человеку не вынести его без противогаза. Это «аромат» гниющего мяса. Зачем природой придумано такое? Ответ прост: опылителями этих цветов являются мухи, а уж что для них может быть приятнее, чем подобный запах! К тому же, чем хуже пахнут выделяемые цветком вещества, тем меньше у него врагов.

Все это еще раз говорит о чрезвычайно важном месте, которое занимают запахи в живой природе. Подумайте сами, сколько полезного мог бы позаимствовать человек, применяя свои знания об обонянии для борьбы с вредителями и болезнями и для разведения необходимых нам насекомых и растений.

А вдобавок к этому рассказу – о «голубой мечте» биоников. Насекомые воспринимают запахи с помощью хеморецепторов – органов химического чувства, расположенных на их антеннах-усиках и лапках. Так вот, лишь поводя этими усиками у поверхности предмета, они могут без прикосновений составить представление о его форме! Каким же должен быть искусственный прибор, осязающий… благодаря запахам?!

Где у бактерии язык?

Что ж, дошла очередь и до пятого участника из классического набора чувств – вкуса. Казалось бы, здесь много общего с обонянием. Должны быть, видимо, рецепторы, распознающие определенные сорта молекул, каждая из которых формирует свое вкусовое ощущение. Только располагаться им теперь, конечно, если речь идет о человеке, не в носу, а на языке – ведь если мы что-то хотим попробовать на вкус, то… помните? Да-да, верно, пытаемся лизнуть языком и выясняем, кисло или горько, солоно или сладко.

А вот подумайте, реально ли различать вкус, не обладая языком? Теперь-то вы уже готовы к тому, чтобы не удивляться: рецептор-то можно разместить везде, где удобно его хозяину. Вот, к примеру, знакомая вам бактерия, которая может перемещаться в воде с помощью жгутиков. Рецепторы вкуса располагаются у нее прямо в мембране – ее оболочке. При движении бактерии они реагируют на концентрацию растворенного питательного вещества, скажем, сахара, и направляют бактерию по нужному пути. Пусть зигзагами, как бы на ощупь, она пролагает дорогу в сторону увеличения концентрации, поэтому рано или поздно достигает пищи.

Мы не в первый раз сталкиваемся со случаем, когда весьма примитивное существо лучше, чем высокоорганизованное, подсказывает, как построить искусственную модель того или иного природного процесса либо явления. Если изготовить достаточно простое устройство, основанное на применении мембран, проницаемых для определенного сорта веществ, то мы получим биосенсор. Иными словами, это приборчик, выполняющий роль датчика, или рецептора, сравнимого с тем, что действует в живой биологической системе. На рисунке приведен один из первых биосенсоров, позволявших определять содержание в крови кислорода. Газ, проникая сквозь мембрану, изменял протекающий через раствор электрический ток, и этот сигнал фиксировали измерительные приборы.

Приведем еще пример с тем же сахаром. Как быстро установить, содержится ли он, и в каком количестве, в крови человека? Эти сведения крайне нужны больным диабетом. Взяв анализ, кровь подвергают исследованию – с помощью, в том числе, подобных биосенсоров. Их реакция и предоставляет нам данные, важные для постановки диагноза или лечения. Такие датчики достигли сегодня миниатюрных размеров – не больше авторучки, их производят уже миллионами.

Еще одна область, где необходимо очень хорошо разбираться с вкусовыми ощущениями – приготовление пищи. Если требуется заменить все тот же сахар при противопоказаниях к его потреблению, то нужно создать, синтезировать, вещества, имитирующие его вкус, но безопасные для организма. Значит, строение их молекул должно быть таким, чтоб задействовать, включить реагирующие на сладость рецепторы и в то же время вещество обязано быть по своему составу безвредным – ему же еще предстоит «путешествие» по пищеварительному тракту и далее к тканям.

Хотя мы поначалу и отделили чувство вкуса от обоняния, – а у человека действительно их рецепторы «территориально» разнесены, – справедливости ради скажем, что иногда их легко спутать. Так, у змеи есть большая полость, соединенная с полостью рта, куда своим языком она доставляет маленькие порции воздуха. Высокочувствительные клетки, выстилающие изнутри этот орган, моментально проводят химический анализ поступивших в него веществ. Такую уникальную лабораторию ученые до сих пор не знают, куда отнести – к органам обоняния или вкуса.

Кто предчувствует ненастье?

Одна из самых волнующих человека задач – надежное предсказание погоды. Нетрудно догадаться, сколь многое у нас от нее зависит. Какой будет зима – морозной или слякотной, а значит, сколько потребуется топлива? Каким ожидается лето, чтобы знать, когда начинать сев и готовиться к сбору урожая? Как укрыться от проливного дождя или спастись от засухи, уберечься от урагана или града, если ничего заранее не знать об их приближении?

Поскольку, как видите, погода касается жизненно важных проблем, люди всегда стремились предугадать ее изменения. Наши чувства, к сожалению, со временем перестали быть в этом помощниками, и полагаться на них трудно. Да, конечно, мы реагируем на смену погоды, и чем старше становимся, тем это происходит болезненнее, но, увы, ни барометром, ни термометром, ни измерителем влажности, которые помогают сделать прогноз погоды, мы не являемся. Уж слишком далеко мы ушли, отгородились от природы, чтобы наперед чувствовать перемены ее «настроения». И сколько ни наизобретали приборов, построили метеостанций и запустили метеоспутников, все равно их предсказаниями мы недовольны.

А вот те, кто продолжает быть неразрывно связанным с природой, могут много чего полезного нам подсказать. У людей накопилась масса примет, прямо говорящих о предвидении погоды, и очень многие из них касаются поведения живых существ. Об этом, например, писал Лев Толстой: «Чувства у паука так тонки, что когда в воздухе начнет только собираться сырость, и мы этой сырости не слышим, и для нас погода еще ясная, – для паука уже идет дождь». В этом случае паук забивается в щелку. Но если во время дождя он начинает плести паутину – жди хорошей погоды. Также множество насекомых очень чувствительно к малейшим изменениям и влажности, и температуры и, что особенно для нас сейчас важно, давления.

Малярийные и обычные комары, мошки и москиты, один из которых изображен на рисунке, – не только наши вечные враги-кровопийцы, но и очень чуткие предсказатели перемен в давлении. Посмотрите, сколько мельчайших датчиков-волосков на их усиках и лапках!

В хорошую погоду рои этих насекомых поднимаются довольно высоко над землей, и охотящиеся за ними птицы вынуждены следовать за добычей. Задолго до предстоящего ненастья в воздушных слоях идет неощущаемая нами подготовка. Уровень постоянного давления становится все ниже, и вместе с ним, будто привязанные, опускаются и комары. Ну, а ласточкам и стрижам ничего не остается, как, следуя за насекомыми, тоже стремиться поближе к земле.

Эту примету ухудшения погоды вы наверняка знаете. Ее объяснение найти, в общем-то, нетрудно. Но есть много таких примет, когда совершенно неясна причина реакции животных или насекомых.

Например, индейцы, живущие в бассейне реки Амазонки, давно обращали внимание на поведение муравьев. Примерно за неделю до наводнения, когда за тридевять земель начинали лить дожди, те начинали проявлять беспокойство. А затем целыми колониями снимались с места и, нагрузившись личинками и запасами пищи, отправлялись в дальний поход – к безопасному месту. Что послужило им сигналом? Пока загадка.

Пытаясь создать чувствительные сенсоры, инженеры порой даже придают им форму насекомых. Так, наиболее точные и стабильные датчики давления имеют крылышки, как у бабочек. Изменения давления сказываются на вибрации этих крохотных крылылек, а частоту колебаний можно тщательно измерить. «Бабочек» уже применяют для разметки приборов на самолетах и в метеорологии.

Почему у таракана быстрая реакция?

К известным пяти чувствам нам придется добавить еще одно, которое ученые считают вполне самостоятельным – чувство равновесия. Почему ребенок не может ходить сразу после рождения? Отчего, даже когда окрепнут ножки, ему довольно долго надо тренироваться, пока он научится не падать? Значит, у насесть какой-то орган, который можно «натаскать» так, чтобы он в дальнейшем нас не подводил, обеспечивая верную ориентацию в пространстве.

Этот орган известен, называется он вестибулярным аппаратом и находится во внутреннем ухе.

Вы можете найти его на картинке к рассказу «Как ухо «ловит» звуки?» из главы о биоакустике – рядом с пометкой «полукружные каналы». Всего таких каналов три, и ориентированы они по плоскостям, расположенным под прямыми углами друг к другу.

Не путайте вестибулярный аппарат с органом слуха, он предназначен для выполнения иных функций. Чувствительные волоски, входящие в его состав, очень остро реагируют на наклоны и повороты головы. Они словно бы запоминают, насколько нам нужно повернуться, чтобы вновь занять прежнее положение. Ориентир есть – это земное притяжение, задающее нам направление «верх-низ». Строители делают его видимым благодаря отвесу – грузику на нити. Вот по отношению к вертикали мы, как и многие обитатели нашей планеты, рассчитываем с помощью вестибулярного аппарата наше истинное положение и поддерживаем равновесие.

В последние годы ученые приходят к выводу, что эволюционно более ранним был именно рецептор тяготения – гравитации. И лишь позднее от него отщепилась улитка, сосредоточившая в себе волосковые клетки, служащие для восприятия звуков.

Вообще всякого рода чувствительные волоски встречаются у самых разных животных и насекомых. Вибриссы – усы моржей словно дополняют их зрение. А вспомните, что входит в набор главных примет кошки, – безусловно, ее чуткие усы. Если перебирать дальше усики или волоски всех известных нам существ, то мы непременно остановимся на таракане.

Отчего он успевает так быстро увильнуть от вроде бы самых метких и неожиданных наших ударов? Крохотные волоски на его тельце обладают необыкновенной способностью мгновенно реагировать на малейшие дуновения воздуха и передавать ему информацию об опасности. Реакция у таракана превосходная – она раз в десять меньше времени, в течение которого мы моргаем глазом.

Еще один пример поразительной чувствительности с помощью волосков – живущий в пустыне скорпион. Долгое время его умение реагировать на движущуюся по песку добычу и даже находить и раскапывать ее, если она зарылась на заметную глубину, оставалось загадкой для исследователей. Зрение, обоняние и слух у него настолько слабо развиты, что они не могли служить ему в этих случаях источником информации. С другой стороны, в песке колебания, производимые жертвой скорпиона, быстро затухают.

Наблюдения, однако, привели к выводу, что скорпион улавливает малейшие движения песка при помощи так называемых механорецепторов – расположенных на лапках волосков и узких щелочек-складок, словно прорезанных на концах его предлапок. Ничтожные сдвиги волосков и сжатия щелок фиксируются ножными нервами, а разница во времени прихода сигналов к ногам ориентирует скорпиона на цель.

Заметьте, что и микроскопические волосковые клетки, и крупные чувствительные волоски выполняли у всех, кого мы сейчас упомянули, функцию ближней ориентации. Видимо, поэтому скорпиона нет в списках биопредвестников землетрясений – там речь идет об улавливании слабых раскатов дальних подземных бурь. А сейчас зададимся вопросом: каковы место и роль механорецепторов, то есть вестибулярного аппарата, при дальних перемещениях в пространстве?

Какие компасы у птиц?

Много поражающих воображение историй связано с умением живых существ находить дорогу к дому, – так сказать, с «чувством родины». Особенно удивляли кошки. Бывало, их отвозили за тысячи километров, но они, потратив месяцы и изрядно отощав, все-таки умудрялись вернуться. Что их вело, какие навигационные приборы? Здесь больше вопросов, чем ответов.

А теперь взгляните на диаграмму миграций, где представлены возможности некоторых обитателей Земли, когда дело касается дальних странствий. На ней, правда, нет ни одной птицы. Дело в том, что места на книжной страничке просто не хватило бы для столь длинной стрелки, которая отражала бы дальность их перелетов!

Судите сами: птицы могут путешествовать с континента на континент, между которыми уже не тысячи, а десятки тысяч километров. Пожалуй, рекорд принадлежит длиннохвостой крачке, мигрирующей из одной полярной области в другую, – был даже зафиксирован перелет, составляющий более 32 тысяч километров. Понятное дело, что ученые долгое время больше всего внимания обращали на птиц, пытаясь ответить на вопрос, каким же «компасом» они пользуются на дальних дорогах.

И тут мнения разошлись. Одни исследователи полагают, что все дело в строении вестибулярного аппарата пернатых. В чем-то он напоминает устройство «уха медузы», которое позволяло той предсказывать шторм. Иными словами, в нем содержатся мельчайшие известковые кристаллы, которые при любом ускорении в движении птицы давят на нервные окончания. Из физики известно, что ускорение напрямую связано с действующей на тело силой, значит птицы получает представление об испытываемых ею силах.

У животных этот аппарат, как вы помните, фиксирует отклонения от вертикали, задаваемой тяготением Земли. Однако у птиц он служит не только для поддержания равновесия, но еще и реагирует благодаря кристалликам на перемены в силе тяжести, а она ведь в разных местах Земли различается. Выходит, с помощью такой природной системы навигации можно находить свое место на «карте» и не сбиваться с курса.

Другие ученые считают, что роль «бортового» ориентира у птиц играет третий глаз. Он, в отличие от упомянутой нами ящерицы гаттерии, еще способной им видеть, переродился и стал выполнять новые для себя функции навигационного устройства. А может быть, говорят третьи, птицы запоминают карту звездного неба и перемещаются, как моряки, ориентируясь по нему?

Ну и, конечно, нельзя обойти стороной давние предположения о том, что у птиц имеется настоящий компас, то есть орган, реагирующий на изменение магнитного поля Земли. Это одна из самых не только интересных, но и достоверных версий, потому что в опытах влияние магнитного поля на птиц, безусловно, проявляется.

Например, когда к голове почтового голубя прикрепили небольшой магнит, он потерял способность находить дорогу домой. Более того, оказалось, что таким способом можно заставить его лететь в противоположную сторону. А в Японии действие магнитов на птиц стали использовать для их отпугивания от садов, полей и огородов.

С другой стороны, мы знаем, что реагировать на магниты могут только определенные вещества, прежде всего железо. Откуда же берется в птичке изготовленная из него «стрелка»?

Это прояснилось за последние десятилетия, когда были обнаружены крошечные железосодержащие частицы у множества организмов – от бактерий до человека. Некоторые бактерии даже ориентируются и плавают вдоль линий магнитного поля. Но такой процесс – чисто пассивный, а вот значительно более сложные существа, животные, по всей видимости, действительно используют свои внутренние магниты в качестве приборов, как мы – компас.

Не мешают ли друг другу чувства?

Когда речь идет о способах ориентации в живом мире, особенно во время миграций, мы сталкиваемся с проблемой наложения различных чувств друг на друга. Ведь, может быть, все, о чем мы говорили в предыдущем рассказе, имеет право на существование – и вестибулярная, и зрительная, и магнитная навигация? Просто мы каждый раз пытаемся выделить сигналы, идущие от рецепторов, настроенных лишь только на один вид внешнего воздействия. А разве организм не воспринимает их одновременно? Или все-таки «включает» свои сенсоры по очереди?

Любопытные опыты проводились, к примеру, с морскими черепахами. Давно было замечено, как черепашки, только что вылупившиеся из яиц, отложенных на побережье, моментально отправляются в путь – к воде, а затем от берега. Почему они знают, куда плыть? Что служит им подсказкой?

Для ответа на эти вопросы экспериментаторы придумали интересное сооружение. К черепашке привязывали легкий поплавок-буёк, который, в свою очередь, был связан с кольцевым понтоном и сеткой, как показано на рисунке. Во-первых, буёк помогал следить за перемещением черепашки, во-вторых, остальная часть конструкции позволяла сделать ее путешествие безопасным. Природный инстинкт заставлял крохотное животное без устали двигаться вместе со всей этой «амуницией». Что же дали подобные опыты?

Оказалось, что стоило приблизиться к воде, как черепашки начинали ориентироваться по направлению набегающих на берег волн. Может быть, вы замечали, что как бы ни был сложен прибрежный рельеф, волны будут разворачиваться так, чтобы набегать не наискосок, а прямо на берег. Иначе говоря, если плыть навстречу им, то рано или поздно такой ориентир выведет черепаху в открытое море.

Но вот когда она окажется там, где волны уже не «чувствуют» берега, наводкой становится земное магнитное поле. Именно по отношению к нему черепахи выверяли в дальнейшем свой курс, пока не достигали богатых кормом мест своего постоянного обитания.

Это было примером попеременного использования различных средств навигации. Не исключено, что в каких-то случаях животные и насекомые сравнивают между собой сигналы, одновременно пришедшие от каждого из органов чувств: совпадают они между собой или нет. Как командующий армией соотносит разведданные, полученные из разных источников, чтобы принять верное решение о дальнейших действиях.

Также было еще раз подтверждено, что магнитная навигация – не плод чьей-то фантазии, а реальность. Ведь не столь давно многие физики и биологи дружно высмеивали саму возможность биомагнетизма. Похоже, теперь получают объяснение и случаи массового выбрасывания китов на сушу. Скорее всего, это происходит не из-за их стремления к самоубийству, а оттого, что магнитное поле Земли, вдоль которого они мигрируют, испытывает у береговой линии аномалии. Не успев понять, в чем дело, киты оказываются на суше. Выходит, другие навигационные средства в этот момент их не подстраховали.

Петр Петрович Лазарев (1878–1942) – российский физик и биофизик. Изучал законы фотохимического действия света, занимался физиологией органов чувств, теорией нервного возбуждения, интересовался психологией творчества. Основал Институт биологической физики, принимал участие в исследовании Курской магнитной аномалии. Его перу принадлежит научная работа «О взаимодействии влияния органов зрения и слуха».

Здесь уместно будет сказать и об особом случае наложения, смешения чувств у человека, так называемой синестезии. Например, писатель Владимир Набоков видел буквы цветными, композитор Александр Скрябин воспринимал в цвете музыку, а у некоторых людей сливаются звуки и запахи, зрение и осязание, слух и вкус. Это одна из тех загадок, которые преподносит нам мир чувств. В последние годы, с открытием новых методов исследований, подобные тайны начинают постепенно раскрываться. Возможно, найдутся ключи к разгадке и бионавигации.

Напомним: человек оснастил свои средства передвижения тысячами приборов. Они позволяют перемещаться и ориентироваться на земле и под водой, в воздухе и в космосе, ночью и днем. Но это порой десятки килограммов оборудования и киловатты мощности. А теперь сравните с навигационной системой бабочки, перелетающей океан (!), которая весит доли миллиграмма и нуждается для работы всего лишь в капельке нектара. Согласитесь, здесь есть чем восхищаться и есть что перенимать.

Зачем нам чувство времени?

Миграции животных и насекомых заставили людей задуматься еще над одним вопросом: а как они узнают, когда нужно собираться в полет, в плавание или в наземное путешествие к родным местам?

Посмотрите на карту, где показаны направления перелетов стай садовых славок. Специальные опыты, проведенные в неволе, продемонстрировали их стремление выбирать вполне определенный курс в точной зависимости от времени года.

Можно, конечно, связать это с подсказками природы. Начинается потепление, значит пора двигаться на север, похолодание – отправляться на юг. Или, например, медведю – вылезать из берлоги либо укладываться в спячку. Иными словами, изменения природных условий служат вместо календаря или часов, подавая сигналы к конкретным действиям. Но неужели только внешние причины «заводят» биологические часы?

Безусловно, они оказывают влияние на ритмы, которым следует все живое вокруг нас, да и мы сами. Однако еще в 1729 году французский астроном и математик де Мэран провел замечательное наблюдение над растущей фасолью. Зная, что ночью она опускает листья, а перед рассветом поднимает, он поместил растение в темную комнату. Несмотря на полное отсутствие света, движения листьев следовали прежнему ритму. Как же они узнавали, что снаружи – день или ночь? Или у них были свои, внутренние часы?

А вот какие интересные эксперименты были проведены с людьми. Оказавшись в темных пещерах или будучи помещенными в специальные изолированные от внешнего мира камеры, испытуемые с удивительной точностью могли определять время. Правда, чем дольше проводился эксперимент, тем чаще и грубее становились ошибки.

Или такой пример. Если человек, ведущий жизнь по строгому режиму, приказывает себе вечером перед сном: «Проснуться в 6 утра!», то он действительно проснется в срок и ни минутой позже.

Выходит, внутри нас какой-то «прибор» удивительно равномерно тикает, отстукивая минуты и секунды. Иными словами, что-то помогает нам обладать «чувством времени». Возможно, это сердечный ритм? Казалось бы, да, но ведь и он может сбиваться, меняться в зависимости, к примеру, от того, насколько энергично мы движемся. Вряд ли подойдет для этой цели и ритм дыхания.

Исследования нашего мозга, проведенные с помощью электроэнцефалограмм, дали убедительные свидетельства того, что в нем чередуются спады и подъемы активности. Не исключено, что подобные ритмы задаются на клеточном уровне. Но в таком случае нужно говорить не о каком-то отдельном органе, в котором сосредоточено восприятие времени, а обо всем организме в целом.

Несомненно то, что между нашими внутренними и внешними, «отбиваемыми» природой ритмами существует тесная связь. Знание ее имеет огромное практическое значение, поэтому и появилась специальная наука – хронобиология. Подумайте, почему так нелегко переносят люди переезд в другие часовые пояса? Не один день человек вынужден адаптироваться, проще говоря, приспосабливаться к новому режиму смены дня и ночи. А вот еще весомое доказательство важности учета биоритмов – с 1945 года ни один мировой рекорд, за редким исключением, не был совершен до 12 часов дня.

Существует такая точка зрения, что весь давно установленный обычный ритм нашего трудового дня заметно не совпадает с периодичностью подъемов и спадов в активности человека. Многие из вас, наверное, знакомы с ситуацией, когда встаешь вроде бы рано и чувствуешь себя бодро, но стоит придти в школу, как начинает клонить в сон. Оказывается, именно на это время приходится период замедления наших реакций. Вероятно, переход к другим границам начала и конца работы и учебы мог бы эффективнее использовать наши «дремлющие» силы.

Продолжение разговора о биоритмах рано или поздно подводит к вопросу: а на сколько вообще «заведены» жизненные часы разных организмов? Иными словами, сколько кому отпущено прожить? Почему иногда после спадов жизнедеятельности и болезней неожиданно начинается подъем и словно бы обновление?

Симон Эльевич Шноль (р. 1930) – российский ученый, заведующий лабораторией Института теоретической и экспериментальной биофизики. Одним из первых выдвинул предположение о том, что биологическими часами управляют химические реакции. Изучает колебательные процессы в биологических системах, связи между космическими и земными процессами, занимается историей науки. Выпустил книгу очерков о выдающихся отечественных биологах.

Проблема эта насколько важная, настолько и сложная. К ней только-только подбираются ученые. Мы же закончим рассказ несколькими рекордными примерами на тему продолжительности жизни. Так, до недавнего времени самым старым животным считался карп, проживший в одном из японских прудов 228 лет. Но недавно аргентинские рыбаки выловили черепаху, которой «стукнуло» уже 230!

Лидером долгожительства среди деревьев признана сосна, растущая более 4600 лет в американском штате Калифорния. А вообще самым старым среди ныне живущих растений оказался найденный в пустыне того же штата креозотовый кустарник. Появился он на свет еще до пирамиды Хеопса – почти 12 000 лет назад!

Возможно ли «мозговое радио»?

Очень трудно, говоря о различных испытываемых нами ощущениях, обойти вопрос о дистанционном влиянии одних организмов на другие. Нет-нет, мы не будем говорить ни об экстрасенсах – людях, обладающих сверхчувственными способностями, ни о телепатии – передаче мыслей на расстоянии. Вокруг этих людей и явлений нагромоздилось невероятное количество домыслов и фантазий, хотя в последнее время наука, наконец, стала проявлять к ним серьезный интерес. Вот мы и ограничим себя только достоверными фактами, считая, что и из них можно извлечь много любопытного и полезного.

Для ясности приведем сразу такой пример. Наблюдения, проводившиеся за разлученными с детства близнецами, дали поразительную информацию к размышлению. В очень многих случаях практически все, что происходило в жизни у одного, в точности и порой в одно и то же время повторялось у другого. Это были свадьбы и рождения детей, болезни и переломы конечностей, путешествия и даже аварии.

Могли ли такие события быть случайными совпадениями? Или надо допустить, что развитие близнецов шло по одинаковым программам? Но почему тогда одно к одному совпадали испытываемые ими чувства? Отчего соответствовало друг другу и то, что происходило в окружающей их обстановке и с совершенно разными связанными с ними людьми? Волей-неволей хотелось бы назвать какой-то пространственный способ обмена между ними информацией и найти те органы и рецепторы, которые могли бы ее принять. Нет ли подсказки в том, что отвечало за удивительные навигационные способности животных?

Насчет наличия подобных передатчиков и приемников пока существуют лишь предположения. Но вот что обнаружили врачи и ученые, обследуя пациентов с помощью самой современной отечественной аппаратуры. Это, кстати, был уникальный измерительно-вычислительный комплекс, разработанный на базе методов дистанционного зондирования космоса, земли и океанов.

На рисунке слева светящимся ореолом показано, сколько различных полей излучает человек. Только не считайте, что подобное свечение мы могли бы увидеть глазами. Нет, это просто способ обозначения зафиксированных приборами данных. Что же собой они представляют?

Непосредственно у поверхности кожи регистрируется химическая микроатмосфера, это молекулы выделяемых нами веществ. Вокруг всего тела обнаруживается тепловое излучение, которое присуще нам просто из-за того, что мы – теплокровные существа. Помимо этого, есть и слабая люминесценция, то есть свечение за счет химических реакций.

Также в районе сердца и мозга фиксируется весьма заметное электрическое поле. В этих же зонах было замечено и магнитное поле, подробнее его можно «разглядеть» на кадре магнитофильма, приведенном на рисунке справа. Не могут ли какие-либо из этих полей заключать в себе объяснение описанных выше явлений?

Дело в том, что к обычному перечню из сообщений о погоде – о температуре, влажности и давлении – нередко добавляют сведения о так называемых неблагоприятных геофизических днях, или попросту – о магнитных бурях. Происходят они в магнитосфере Земли под действием, в том числе, и Солнца. Чем дальше, чем больше свидетельств о том, что между ними и самочувствием людей есть связь. Она непростая, еще довольно много ошибок в геомагнитных прогнозах, но ее существования никто пожалуй, уже не отрицает. Значит, мы реагируем на изменения магнитного поля, восприимчивы к нему.

С другой стороны, недавние наблюдения германских ученых привели к выводу, что у разлученных близнецов абсолютно сходны показатели активности головного мозга. Регистрировалось это по измерениям генерируемых ими полей способами, подобными тем, что применяли наши исследователи.

Кое-кто из всего рассказанного делает уже далеко идущие умозаключения – вплоть до существования «мозгового радио». Конечно, хотелось бы усмотреть в этом еще одно опередившее нас изобретение природы. Но давайте все-таки подождем новых исследований…

Кто помог нам ощутить радиацию?

Еще одна совсем молодая область науки, связанная с восприятием живыми существами внешних воздействий – это радиобиология. После овладения атомным оружием и постройки атомных электростанций люди столкнулись с неведомой им ранее угрозой – радиацией. Без цвета, вкуса и запаха, она воздействует на все живое, когда никакими нашими органами чувств ее уловить нельзя.

Если быть точным, то человечество испытывало ее влияние всегда. Ведь радиоактивные вещества, находящиеся в бомбах и реакторах, были не искусственно созданы, а просто переработаны и сконцентрированы из того, что извлекалось из-под земли. Однако залежи полезных ископаемых, в которых они содержались, были очень рассеяны и не создавали для нас угрозы из-за очень слабой интенсивности.

Как бы не хотелось вновь обращаться к таракану, но в связи с радиацией придется еще раз его упомянуть. Это неприхотливое насекомое считают самым древним обитателем нашей планеты – по новейшим данным, его возраст около трехсот миллионов лет. За это время он умудрился приспособиться и к радиации: его не берут убойные для всех дозы!

Другой вид опасных излучений шел из космоса. Но атмосфера и магнитное поле Земли надежно ограждали нас от губительного воздействия этого вида радиации. И только полеты человека в космос на большие высоты, когда он выходит из-под их опеки, заставляют задуматься о радиационной защите.

Взгляните на рисунок, где изображен, так сказать, искусственный космонавт, напичканный дозиметрами – датчиками радиации. Его соорудили похожим на человека не только по внешнему виду, росту и весу, но и по внутреннему составу, подобрав подходящие материалы. Они способны воспринимать радиацию почти так же, как и биоткани. Это позволило изучить, каким образом может подействовать на человека облучение, которому он подвергается в космосе. Ведь фантом-манекен дважды побывал на борту межпланетных аппаратов, в том числе совершил перелет по трассе Земля – Луна – Земля.

Многое уже стало нам понятным в механизмах этого влияния на живую природу. Инженеры, конструкторы, медики совместными усилиями создали средства защиты, которые должны обеспечить безопасную работу на атомных станциях, в космосе и при обращении с военной техникой. Это прежде всего ослабление радиации, снижение ее доз.

Но вот с каким открытием столкнулись буквально в последние годы исследователи. Если действовать на биологические объекты сверхмалыми дозами химически активных веществ или радиации, то наблюдается эффект, который сопоставим с влиянием того же препарата или излучения, в десятки раз более концентрированного и интенсивного! Поэтому, возможно, перед нами возникает задача: или найти способы управления этим явлением и тогда поставить его нам на службу, или отыскать новые способы защиты, если такое воздействие окажется вредным.

Александр Леонидович Чижевский (1897–1964) – российский биолог. Один из основоположников гелиобиологии – науки о влиянии солнечной активности на земные организмы. Исследовал нарушения биоритмов и сна у животных. Установил биологически активное целебное действие отрицательно заряженных ионов воздуха, нашедшее применение в медицине и сельском хозяйстве.

Согласитесь, немало любопытного, а уж сколько важного, кроется как в исследованиях того, что способны воспринять наши чувства, так и в том, чего они и вовсе не замечают. Моделирование органов и известных, и неведомых еще нам чувств не снимается с повестки дня биоников.

Биоинформатика

На узенькой тропинке маленький старый ящер (родственник крокодила!) сидел и думал.

Ф. Лорка

Но во всех случаях рецепторы являются лишь, так сказать, входом в организм. И мы не раз уже вынуждены были упоминать, что принятая ими информация сообщается дальше – мозгу, который обрабатывает ее, решает, как ею распорядиться, и передает сигналы, приводящие в действие различные органы и части тела с помощью мышц.

Таким образом, что бы мы – и другие существа – ни зафиксировали, нам необходимо обработать воспринятое. Как это происходит в живом мире? Способны ли мы создать устройства, которые так же успешно смогут перерабатывать и хранить информацию?

Конечно, скажете вы – и назовете уже такой относительно простой для вас прибор, как компьютер, который представлен на картинке в начале главы. Он, кстати, вполне способен не только передать изображение реального объекта, чтобы тот оставался для нас узнаваемым, то есть обрабатывать визуальную информацию, но может конструировать и работать с несуществующими, мнимыми предметами – виртуальной реальностью.

Наверняка вы приведете еще немало примеров могущества компьютеров – вплоть до игры в шахматы на уровне чемпиона мира. Безусловно, в живой природе такого не встретишь. Но подумайте вот о чем. У изображенного на мониторе доисторического ящера вся система восприятия управления его организмом занимала, в общем-то, немного места и была автономной. Так же и у других живых существ. А добились ли мы в наших искусственных устройствах, даже при выполнении ими нехитрых функций, подобной степени миниатюризации и независимости от человека?

Еще более непростой вопрос. Создавая машины для переработки и хранения информации, а их часто называют думающими, интеллигентными машинами, люди пытались выяснить, а что же из себя представляет сам процесс мышления? И вообще, могут ли мыслить другие существа, кроме нас? Нельзя ли какие-то их умственные способности воспроизвести технически?

Все эти проблемы не могли бы не только решиться хоть в какой-то степени, но их даже невозможно было бы поставить, если бы люди не научились использовать… электричество. Ведь какой бы современный прибор, предназначенный для любого рода работы с информацией, вы ни вскрыли, всегда найдете внутри переплетения проводов, спаянные контакты и непременно – тот или иной источник тока, скажем, батарейку.

Но как связано прохождение электричества по бездушным устройствам и приборам с тем, как обрабатывается информация в организмах живых существ? Вот, пожалуй, с истории, открывшей эру применения электричества, и стоит начать эту главу.

Отчего дергалась лапка лягушки?

Как и с очень многими природными явлениями, с электричеством человек был знаком очень давно. Даже сам корень этого слова пришел к нам из Древней Греции. Но еще примерно 200 с небольшим лет назад ничего похожего на то, что связано у нас с электричеством сегодня, людей не окружало.

Не было электрических лампочек, не было никаких бытовых приборов и транспортных средств, использующих электроэнергию, а, главное, практически отсутствовали производящие ее устройства – источники постоянного и переменного тока. Зато было множество развлечений и модных опытов, где применяли различные способы электризации тел, например, трением. Помните треск и искрение вашей одежды, происходящие порой в то время, когда вы ее снимаете?

«Баловались» также электрическими фокусами, связанными с животными. Однако предпринимались и попытки серьезных исследований. В XVIII веке неоднократно было замечено, что различные органы или мышцы препарированных животных способны сокращаться под влиянием электрического раздражения. Но понадобились наблюдательность и терпение итальянского ученого Л. Гальвани, чтобы из этих, казалось бы, незатейливых опытов извлечь, как позже выяснилось, великую пользу для человечества.

Луиджи Гальвани (1737–1798) – итальянский анатом и физиолог. Занимался изучением электрических явлений в животном организме, положил начало электрофизиологии. Основной труд – «Трактат о силах электричества при мышечном сокращении». Пророчески писал, что «легко ошибиться в исследовании и считать виденным и найденным то, что мы желаем увидеть и найти».

На рисунке, сделанном со старинной гравюры, представлена часть лаборатории, в которой долгие годы проводил свои эксперименты этот естествоиспытатель. Ему удалось показать, что сокращение мышц лягушки происходит под действием внешних электрических разрядов – искр.

Но когда Гальвани просто присоединил к лапке животного два разнородных металла и также наблюдал сократительную реакцию, он посчитал, что электричество рождается внутри самого организма, и даже назвал его «животным». Удивляться нам этому не стоит, так как к тому времени уже были известны и описаны электрические рыбы, действительно производящие разряды. Гальвани даже не смутило отсутствие у лягушки электрического органа и то, что она мертва.

Однако, спустя некоторое время, соотечественнику Гальвани А. Вольта, повторившему его опыты, пришло в голову, что никакого «животного» электричества нет и лягушка не является источником электрического тока. Она лишь регистрирует его прохождение – ну, как отбрасывается стрелка вольтметра, когда мы подключаем его к сети или к батарейке.

Попутно заметьте, что в названии этого прибора для измерения напряжения использовано имя прославленного ученого. Сам же он в доказательство своих рассуждений провел любопытнейший опыт, когда в качестве регистратора электрического тока, возникающего при контакте двух пластин из разнородных металлов, применил вместо лягушки… собственный язык! Так и сегодня порой проверяют годность батареек, касаясь языком их полюсов, при этом ощущается кисловатый вкус.

Вот и получилось, что лягушка спровоцировала великое открытие. Ведь Вольта, поняв, что электрический ток создается не ею, а присоединенными к ней разными металлами, строит затем из них знаменитый «столб», тоже получивший впоследствии его имя. Так появляется первый источник постоянного тока. Произошло это в 1800 году. С этого момента и берет начало новая эра электричества, преобразившего наш мир.

А что же лягушка? И так ли не прав был Гальвани? К ней, безусловно, мы вернемся, но прежде речь пойдет об упомянутых нами электрических рыбах.

Зачем рыбам электричество?

История сохранила для нас свидетельства о наблюдении электрических рыб еще несколько тысяч лет назад. Разящую силу их ударов могли оценить рыбаки, к которым они попадали в сети. Немудрено, ведь теперь мы знаем, что электрические скат или угорь способны генерировать напряжение в несколько сот вольт. А мощности, которую вырабатывает крупный угорь во время опасности, хватает, чтобы зажечь полдюжины стоваттных лампочек.

Зачем понадобилось такое изобретение природе? Прежде всего, электрическим ударом хищные рыбы могут убить или оглушить жертву, обездвижить ее и затем спокойно «пообедать». Также столь грозное оружие может быть средством защиты от нападения более крупных хищников. Судя по останкам доисторических рыб, практически все они были снабжены органами, которые могли производить электричество. Со временем, однако, у многих из них эти качества были утрачены.

Правда, у тех рыб, у кого они сохранились, приспособления для добычи пищи приобретают иногда невероятные формы. Не столь давно было обнаружено, что обитающая в теплых морях рыба астроскопус также добывает себе пропитание с помощью электрической энергии. Однако из-за того, что ее рот и глаза находятся на спине, она дожидается, пока жертва не окажется над ней, и бьет разрядом так, чтобы оглушенная рыбешка падала прямо в рот.

А что же представляет собой такого рода «живой» источник тока? Если пользоваться сегодняшними терминами, то это специальные клетки типа батареек либо аккумуляторов, которые мы применяем в магнитофонах или автомобилях.

Скорее, говорят другие исследователи, он похож на множество конденсаторов, используемых, например, для работы лампы-вспышки. Обычно каждый из них – это две проводящие пластины, разделенные слоем изолятора, между которыми можно создать заметное напряжение при зарядке.

Вот нечто подобное цепочке таких природных батареек или конденсаторов находится у электрических рыб. Соединенные друг с дружкой, они и образуют между хвостом и головой рыбы высокое напряжение. Причем способы их соединения для морских и пресноводных обитателей различны – будто эволюция в точности следовала законам физики, выбирая для каждого существа наиболее экономный вариант в зависимости от окружающей среды.

Это сейчас мы можем объяснить, почему действует такая «электрическая машина». Как видите, нам потребовались кое-какие сведения из огромной кладовой накопленных человеком за 200 лет знаний об искусственно созданных электрических явлениях. Здесь скорее наука и техника помогли понять, что происходит в живом мире, нежели ее обитатели подталкивали человека к новым изобретениям.

С другой стороны, не ожидая быстрых подсказок от природы в производстве технических устройств, люди научились использовать напрямую ее электрические «хитрости». Вот пример: в густонаселенной африканской стране Нигерии давно возникли проблемы с чистотой питьевой воды. Оказалось, что прекрасным индикатором степени ее загрязненности может быть нильская щука.

Так вот, этих рыб запускали в бассейн с предназначенной для питья водой и следили за их электрической активностью. Почти слепые и глухие, нильские щуки обладают удивительной чувствительностью к находящимся в воде веществам благодаря расположенным в их длинном хоботе обонятельным рецепторам. Как только вода становится чуть грязнее, частота испускаемых ими разрядов снижается. Электрические импульсы рыб усиливают и выводят на табло водопроводной станции. Такого добросовестного контролера специалисты намерены использовать и в других странах.

Как найти затаившуюся рыбу?

Еще одна область электрической активности рыб, привлекшая в последнее время исследователей, – электролокация. Одно дело – ударить по жертве разрядом высокого напряжения, другое – просто обнаружить ее с помощью электрических сигналов. Для этого вовсе не надо порождать мощных импульсов, а достаточно послать и принять слабые и безопасные электрические колебания. Они вполне эффективно регистрируются рыбами на расстоянии примерно 10 метров.

Конечно, вы вспомнили, что в чем-то похожим способом производили локацию дельфины и киты. Только в их случае речь шла о звуковых колебаниях, а сейчас мы имеем в виду импульсы другого происхождения, рождаемые электрическими органами рыб.

Поскольку они не используются в качестве оружия и могут быть не слишком мощными, то обладает ими значительно большее количество рыб. Электрические сигналы служат им для установления порядка при движении в косяке, для разграничения территории. Примером пассивной электролокации может также послужить охота акулы, которая сама не посылает разрядов, но с помощью специальных рецепторов обнаруживает еле заметные электрические импульсы своих жертв.

Был проведен интересный опыт. Как известно, камбала умело маскируется, принимая облик поверхности дна океана или зарываясь в песок. Тем не менее, акула умудрялась ее обнаруживать и нападать на нее. Чтобы убедиться в том, что дело касается именно электрических сигналов, возникающих при дыхании камбалы, экспериментаторы подводили к участку дна провода от обычного источника тока. Как только имитирующий камбалу прибор включали, плавающая поблизости акула начинала вести себя так же, как во время охоты. Эта реакция, заметим, легла в основу электрических ловушек – привлеченная ими промысловая рыба попадала прямо в трубу, по которой насос перекачивал ее на рыболовецкое судно.

Вообще говоря, всевозможные рецепторы акулы, как вы убедились, до сих пор не дают покоя исследователям. Ее необычайная чувствительность ко всякого рода внешним воздействиям просто поразительна. Но особое внимание вызывают все-таки электрорецепторы рыб.

Причина в том, что это приспособление, позволяющее также ориентироваться в мутных и стоячих водах, где трудно полагаться на другие органы чувств, а значит и на их модели, возможно, приведет к созданию искусственного электролокатора.

При помощи компьютерных расчетов удалось выяснить, что минимальное количество электрорецепторов для успешной локации должно быть равно шести. А в биологических системах их сотни и тысячи. Следовательно, они обладают и повышенной чувствительностью, и помехоустойчивостью, и избыточной информацией. Выяснив физический механизм действия подобных систем, ученые сделали очередной шаг на пути построения нового типа подводных локаторов.

А что, на земле не нужны подобные локаторы? Дело в том, что воздух – почти не проводящая электричество среда, в отличие от воды. Поэтому наземным организмам рыбьи электрорецепторы ни к чему. Один утконос сохранил их, да и то для использования в воде, как у той же акулы – помните его охоту?

Все это, однако, не означает, что при переходе на сушу разговор о биоэлектричестве заканчивается. Напротив…

Проводят ли растения ток?

Возможность создания электричества и влияние его на живые существа, разумеется, не ограничивается рыбами. Просто у наземных обитателей, конечно, если их не препарировать, как лягушку, труднее было его обнаружить. Но вот постепенно, а особенно в последнее время, стало накапливаться довольно много любопытных свидетельств «неравнодушия» к электричеству самых разных организмов, в том числе растений.

Неужели они проводят электрический ток? Да, представьте себе, и это можно зарегистрировать с помощью несложных, находящихся буквально в школьных лабораториях приборов.

Взгляните на рисунок. Это – схема опыта, когда корни растения помещали в питательный раствор с известным химическим составом, а к стеблю подключали электроды вольтметра, измеряющего электрическое напряжение. Так вот, оказалось, что при самых разнообразных воздействиях на листья, а это могло быть облучение, нагрев или прикосновение, через некоторое время стрелка вольтметра приходила в движение.

Иначе говоря, реакцией растения на внешний раздражитель являлся импульс электрического тока. Более того, с составом раствора, то есть, с находящимися в нем веществами, происходили изменения. А это говорило уже о том, что электрические и химические явления тесно связаны. Электрический сигнал словно передал сообщение раствору, и тот его принял, показав это изменением своего состояния.

Впрочем, нас же не удивляет подобная связь, когда мы пользуемся батарейкой или аккумулятором. Ведь появление на их полюсах электрических зарядов, а именно это мы отмечаем знаками «плюс» и «минус», обязано протекающим в них химическим реакциям, иначе говоря – изменению в составе веществ. Да и появление кислого вкуса на языке, коснувшегося этих полюсов, свидетельствует о химическом действии тока.

Отвлечемся на минуту от растений, приведя еще один пример, касающийся человека. Множество биохимических процессов, происходящих в нашем организме, зависят от того, какого заряда частицы находятся во вдыхаемом нами воздухе. Эти электрически заряженные частицы называют ионами.

Если их знак отрицателен, то они благотворно влияют на организм, «будят» его защитные силы. Напротив, повышенное содержание положительных ионов способствует началу развития многих болезней. Вот почему надо почаще проветривать наши дома – в чистом воздухе отрицательных ионов намного больше, чем внутри жилищ. Или же ставить аэроионизаторы, восполняющие их недостаток в наших квартирах.

Получается, что электричество как бы управляет происходящими в нас процессам, то есть играет не столько энергетическую, как у бьющих разрядами рыб, сколько информационную роль. Возвращаясь к растениям, отметим схожий факт – пропускание электрического тока через зародыши семян стимулировало их и значительно повысило активность прорастания, иначе говоря, привело к резкому усилению жизнедеятельности.

Что переносит информацию?

Наблюдения за растениями преподнесли интересный сюрприз. Измеряли ритм электрической активности у высаженных рядом проростков кукурузы. Как это делается, мы обсуждали в предыдущем рассказе. Был проведен такой опыт: одно из растений накрыли светонепроницаемым колпаком, а второе освещали мигающим светом. Через 8 часов частота импульсов у закрытого растения подстроилась под ритм электрических колебаний, возникших у освещенного.

Получалось, что растения обмениваются между собой информацией. Причем, как выяснилось, происходило это через общий грунт, в котором они находились, и тогда, когда условия, так сказать, оказывались экстремальными – например, в отсутствие света или при недостатке корневого питания. Природа же такого обмена теперь вам известна: электрические колебания освещаемого растения меняли химический состав раствора в почве, а это, в свою очередь, влияло на электрические же колебания у закрытого растения. Заметим на будущее, что во всех без исключения описанных случаях информация передавалась через жидкую среду.

А теперь еще один любопытнейший пример. Глядя на общающихся между собой птиц, мы прежде всего обращаем внимание, что они передают информацию с помощью голоса, движений или, при близком контакте, ощупывая друг друга. Но вот каким образом происходит почти молниеносная передача сигналов, если стая птиц одновременно разворачивается и меняет направление полета? Такие маневры были замечены у стай скворцов, насчитывающих тысячи птиц, когда разворот происходил за пятьмиллионных долей секунды!

Никакие органы чувств из классического набора не объясняли происходящее с ними. И лишь исследования германских ученых привели к заключению, что переносчиком сигналов может быть электрическое поле, возникающее во время полета на поверхности тела пернатых. Его изменения могут передаваться с огромной скоростью всем птицам в стае и позволять им согласовывать свое движение.

Подобные эффекты обнаружились и у насекомых, например, у пчел. И дело не только в способе обмена информацией во время полета в стае. Ученых давно занимают вопросы, связанные с организацией любых действий у коллективных насекомых. Почему так слаженно живут и работают те же пчелы? Или муравьи, колонии которых насчитывают порой до 50000 членов? Создается впечатление, что их взаимодействие подчинено каким-то общим командам, словно мы наблюдаем целостный гигантский организм.

Теперь известно, что нечто похожее на такое кооперативное поведение происходит и в колониях бактерий, и на уровне мельчайших единиц живого – клеток. А для того чтобы предпринимать такие согласованные действия, необходим налаженный обмен информацией.

Даже в воздухе, как мы убедились, он может происходить с помощью биоэлектрических сигналов. А тем более – в жидкой среде: в воде у рыб, через почвенные растворы у растений. Однако в последнем случае незаменимыми участниками информационной цепочки становились химические вещества. Об этой их роли – следующий рассказ.

Как общаются головастики?

Одна из самых важных проблем при изучении процесса передачи информации – узнавание. Вот скажите, каким образом вы определяете, в знакомом ли месте оказались вы или нет? По всей видимости, мы храним в нашей памяти впечатления, накопленные от множества данных, переданных нам разными органами чувств во время предыдущих посещений.

Иногда достаточно показать картину или фотографию места, где вы уже бывали. И если она совпадет с тем образом, что запечатлен вашей памятью, то вы воскликните: «Узнал!» Однако даже зрительная информация, как вы помните, может нас подвести: в каких-то деталях само место и его образ могут разойтись, не совпасть друг с другом, вы начнете сомневаться, откажетесь его признать, а потом обескураженно скажете себе: «Как же я мог ошибиться?!»

Еще тоньше обстоит дело, когда разговор касается узнавания людей. Разве вам не приходилось попадать в ситуации, когда вы встречали человека, очень похожего на одного из ваших знакомых, друзей или родственников, хлопали его по плечу а потом должны были просить прощения, что обознались.

На что больше всего можно положиться в таких случаях, на какие органы чувств? Информация от какого из них наиболее достоверна? Может быть, воспользоваться всеми доступными, как их называют, каналами восприятия и сложить полученную с их помощью информацию?

Это весьма непростые вопросы, и мы к ним, конечно, еще вернемся. А пока попробуем выяснить вместе с учеными, как узнают друг друга все-таки более простые, чем мы, существа – головастики жаб или лягушек.

На картинке вы можете увидеть изображенный в плане большой аквариум. В левой и правой его частях, отделенных сетчатыми перегородками, находились два выводка головастиков. В центральную часть, разделенную непрозрачной перегородкой, помещали по одному головастику из каждого выводка. В этих условиях одиночные животные предпочитали большую часть времени проводить около своих родственников.

Когда же сетки заменили стеклянными – прозрачными, но непроницаемыми для воды – перегородками, выяснилось, что никакого родственного предпочтения не возникало. Тогда опыт изменили: сетки вернули на место, а каждую из групп головастиков накрыли ящиком с отверстиями – так, что их самих не было видно, но вода внутрь ящиков проникала. И что же – одиночные головастики вновь стали проявлять свою склонность к общению с братьями и сестрами. Во всех ситуациях аквариум прослушивали гидрофонами, чтобы «засечь» и звуковые контакты, но они не играли определяющей роли.

Какой же из всего этого был сделан вывод? Средством коммуникации у этих существ, помогающим узнаванию, была не оптическая, не акустическая, и тем более не осязательная, а только лишь химическая связь. Головастики посылали друг другу сигналы с помощью веществ, по которым можно было отличить один выводок от другого.

Это – пример того, как исследователи пытаются разгадать механизмы передачи информации, последовательно исключая действие тех или иных органов чувств. Мы не раз говорили, что бионикам часто удается достичь больших успехов в моделировании природных систем при обращении к более примитивным существам. Однако соблазн узнать побольше о способах восприятия информации человеком побуждал к экспериментам и с его непосредственным участием.

Можно ли чувствовать то, чего нет?

Что мы будем ощущать, если нас лишить «путей сообщения» с внешним миром? Причем разговор идет не о такой изоляции, в которой оказываются заключенные в камеру-одиночку, или спелеологи, опускающиеся в глубокие темные пещеры. В данном случае мы ставим вопрос об абсолютно полном пресечении возможности принимать какие-либо внешние сигналы.

Подобный опыт был проведен учеными-психологами. Человека, конечно, добровольца, помещали в комнату, надев наручники, не позволявшие ему пользоваться осязанием. Глаза его покрывали экраном, который искажал зрительное восприятие, а голова покоилась на специальной звукопоглощающей подушке.

Казалось бы, перекрытие основных каналов информации должно было привести к тому, что человек просто вообще переставал что-либо чувствовать. Ведь если не поступает никаких раздражителей, то наш мозг обязан был бы «выключиться». Ведь не звонит же телефон, если никто не набирает ваш номер.

Но здесь сравнение с простым техническим устройством, как говорится, не проходит. Вся уже накопленная в нашем мозгу информация не может просто храниться, как стопка листов бумаги или дискеты в коробке. В нашей голове даже в отсутствие внешних возбудителей происходят активные процессы.

Об этом испытуемые рассказывали сами в микрофоны непосредственно во время проведения эксперимента. Также чувствительные датчики, укрепленные на их голове, улавливали электрические сигналы, говорящие о непрерывной мозговой активности.

О том, что мы, как и другие организмы, способны порождать различные поля и излучения, рассказывалось в предыдущей главе. Там же мы обсуждали с вами, что изменения этих полей могут происходить ритмически.

Например, сердце вызывает такие электрические колебания, которые возможно зафиксировать датчиками, перевести на язык графиков и по ним получить картину работы одного из наших главных органов. Называется это снятием электрокардиограммы.

Так вот, протекающие в мозгу процессы также порождают изменения электрического поля, и их мы тоже можем разглядеть на ленте самописца или на экране компьютера. Такого рода процедуру именуют записью электроэнцефалограммы.

Конечно, в буквальном смысле прочесть по графикам наши мысли невозможно. Но если связать эту информацию с тем, что сообщает испытуемый, подвергшийся изоляции, появляется возможность проследить за реакцией мозга на действие или отсутствие раздражителей. Выяснилось, что человек без них долго не протянет – у добровольцев ухудшалась способность мыслить, у некоторых даже начинались галлюцинации. Испытание оказалось настолько тяжелым, что превращалось в пытку – никто не выдержал его больше недели.

Подобные исследования позволяют пролить свет на проблему «фантомов» – видений и звуков, возникающих в мозгу в отсутствие зрительной и акустической информации, а также ощущений от потерянных при несчастьях конечностях. Есть множество свидетельств, как люди чувствуют боль, зуд или покалывание в ампутированных руках и ногах.

Поразительно, но чтобы ощущать собственное тело, его вовсе не обязательно иметь! Наш мозг не только пассивно принимает и анализирует сигналы, идущие к нему от внешнего мира через рецепторы, он словно имеет внутри себя картину нашего тела и отдельных его частей и может ее «достраивать», если чего-то не хватает.

Вернемся, однако, к восприятию реальных объектов.

Какие глаза нужны компьютеру?

Итак, наши приемники всех видов внешней информации фиксируют ее, передают дальше, в результате она попадает в мозг и заставляет его принимать решения – определять нужные действия по отношению к внешнему миру. Возьмем еще раз для примера глаз человека, все-таки он основной поставщик потока сведений об окружающей среде. Но теперь рассмотрим его не отдельно, в качестве только датчика, а уже в связи со всем каналом передачи информации.

Световые лучи, идущие от какого-либо наблюдаемого предмета, пройдя всю систему глазного яблока, попадают, как вы помните, на сетчатку, представляющую собой огромное количество нервных окончаний. Возбуждение этих окончаний передается далее по зрительному нерву в мозг, где и формируется представление о том, что мы рассматриваем.

Давайте остановим свое внимание на нескольких, крайне важных для конструкторов искусственных «разумных» машин, моментах.

Первый – ввод информации. Вспомните, как он производится в компьютере. Конечно, в основном через клавиатуру. Неужели этот способ эффективнее, чем непосредственное восприятие интересующих нас объектов – предметов или текстов – с помощью зрения? Ответ давно для всех ясен, и попытки снабдить самые разные, – как стационарные, так и автономные – устройства сканирующими, считывающими системами непрерывно предпринимаются. Предсказывают, что широкое распространение «зрячих» компьютеров не за горами.

Второе замечание. Вы наблюдаете за бегущим животным. Что для вас значит движение зрительно? Смещение предмета относительно фона, скажем, бегущей лошади в сравнении с покоящимся пейзажем. Так вот, наши глаза останавливаются на животном, оно для нас неподвижно, его изображение в центре сетчатки. А смещение, сдвиг по сетчатке окружающего пейзажа, на самом деле «стоячего», и фиксируется, как факт движения. Это качество природного органа зрения уже используется в видеокамерах, в них точно так же работает электронная система стабилизации изображения.

Когда-то создатель науки об управлении Н. Винер сказал: «Кошка не бежит прямо к месту, где находится мышь, а движется к ее будущему положению». Умение живых существ предугадывать развитие событий по получаемой зрительной информации пытались воплотить роботостроители в электронных футболистах. Еще в ноябре 1997 года прошел первый в истории турнир, в котором они приняли участие. Победу одержали механизмы, чуть лучше других бегающие, внимательнее смотрящие, а главное, умеющие предвидеть развитие игры – куда через мгновение сдвинется соперник и покатится мяч.

Норберт Винер (1894–1964) – американский ученый, математик и философ, полиглот, владевший 14 языками. Занимался электрическими сетями и вычислительной техникой. Изучение аналогий в работе электрических и электронных систем и в живых организмах привело его к созданию кибернетики – науки об управлении и связи в животном и машине – очень близкой по своим задачам к бионике.

И третий эффект, о котором мы уже упоминали: как обозначить то, что мы видим? Этот процесс, предполагают ученые, происходит так, словно мы сличаем наблюдаемое с картотекой имеющихся в нашей библиотеке-мозге образов. Например, если вам предъявить фотографию какого-либо участка городской улицы, на которой стоит велосипед, и попросил отыскать его на снимке, то вы это сделаете практически мгновенно. Однако, если разрезать фото на несколько прямоугольников, перетасовать их, и сложить в произвольном порядке, то ту же самую поисковую задачу вы будете решать заметно дольше.

Что это значит? Мы видим не только сам объект, но воспринимаем его вместе с окружением. Стоит тому измениться, как мозгу кажется, что его картотеку смешали, и ему необходимо время, чтобы вновь навести в ней порядок.

Все это – малая толика проблем, с которыми сталкиваются создатели электронной техники, постоянно «советуясь» с природными системами получения и обработки информации.

Способны ли машины обучаться?

Отступим немного назад во времени, когда постепенно накапливаемые знания о механизмах действия органов, ответственных за переработку информации в живой природе, начали побуждать ученых строить имитирующие их системы. Более полувека назад появилось любопытное устройство, названное персептроном – по английскому слову, означающему «восприятие». Главное, что оно должно было продемонстрировать, – умение обучаться. Какая же «думающая» машина может обойтись без такой способности?

Мы вынуждены показать на картинке очень грубую схему этого устройства, отражающую лишь самые главные его черты. Нам нужно извлечь только принцип, на основе которого строилась такая система. А заключался он в следующем. На рецепторные ячейки – датчики – подавался какой-либо сигнал, несущий блок информации. Это служило аналогом внешнего раздражителя живого существа. Теперь вы понимаете, что это может быть свет или звук, прикосновение или воздействие молекулы пахучего вещества. В персептроне выбрали свет.

Получая как бы зрительный сигнал, каждая из этих приемных ячеек передавала его по проводам в следующий ряд, содержащий огромное число так называемых ячеек памяти, причем соединение производилось случайным, беспорядочным образом. Иными словами, к какой-то ячейке из второго ряда могло попасть больше сигналов из первого, а с другой – меньше. Срабатывала ячейка памяти лишь в том случае, если количество принятых ей сигналов превышало некоторый порог – тогда она передавала информацию дальше, к реагирующей ячейке.

В свою очередь, эта ячейка суммировала поступившие к ней сигналы и результат сравнивала с заранее установленным в ней значением. Если сумма превышала заданный порог, ячейка срабатывала – реагировала. Считалось, что тогда она опознала предъявленный устройству объект.

Интересно, что такая, в общем-то несложная с точки зрения техники, система оказалась способной сличать новую полученную информацию с той, которая поступала к ней раньше. Более того, в случае, если это сопоставление было ошибочным, то с помощью оператора-учителя в ячейки можно было внести изменения, которые в дальнейшем приводили к правильному распознаванию. И затем персептрон уже сам принимал верные решения.

Работа эта произвела большое впечатление на конструкторов «мыслящих» машин. Хотя в персептроне нашли потом немало недостатков, главное, что было показано, – мы можем, пусть поначалу грубо и неумело, но моделировать происходящие в такой сложной природной системе, как связь «глаз-мозг», информационные процессы.

На многое сегодня способны преемники персептрона – электронно-вычислительные машины. Например, опознавать нефтеносную местность, распознавать болезни человека, обнаруживать технические неисправности и предсказывать аварийные ситуации, считывать тексты и воспринимать их с голоса… Но как вы думаете, что служило создателю персептрона прототипом элементов его конструкции? Ответ – в следующем рассказе.

Как работает нейрон?

Какие же «детали» организма пытались смоделировать ученые с помощью таких устройств, как персептрон? И что представляет собой канал, который проводит у нас к мозгу сигнал, получаемый рецептором? Это нейроны, нервные клетки.

Посмотрите, как выглядит отдельный нейрон. Это довольно большая, состоящая из нескольких частей клетка. От так называемого тела нейрона отходит довольно много отростков, называемых дендритами. Именно они собирают получаемую самыми различными рецепторами поступающую на «вход» организма информацию. Далее она передается по длинному выросту, именуемому аксоном. На его концах находятся окончания, служащие для связи с другими клетками.

Это – структура передатчика сигнала. А как же происходит сам процесс передачи?

Клетка, как вы помните, окружена оболочкой-мембраной. Внутри и снаружи этой мембраны располагаются электрически заряженные частицы, поэтому мы можем сказать, что между внутренней и внешней поверхностями оболочки существует электрическое напряжение. Чем-то это вновь напоминает заряженный конденсатор или батарейку.

Пришедший сигнал меняет напряжение, однако это не остается незамеченным другими, соседними участками клетки. Они так же начинают изменять свое электрическое состояние и возникает словно бы волна, которая бежит по поверхности клетки, ее еще называют эстафетой передачи сигнала. Иногда ее сравнивают с цепочкой, составленной из костяшек домино, когда толчок первой из них влечет падение всей цепи.

Собираемая от всех дендритов, эта информация накапливается, достигает некоторого порогового уровня и, в конечном итоге, передается по аксону к мозгу. Как видите, очень многое роднит здесь природные и искусственные способы ее передачи.

Чарльз Шеррингтон (1857–1952) – английский ученый, автор фундаментальных трудов по нейрофизиологии. Ввел представление о синапсах, выявил их значение в механизмах нервно-мышечной передачи. В своих трудах развивал взгляды на организм как на единое целое. За исследование законов деятельности нервных волокон был удостоен Нобелевской премии.

Однако надо обязательно отметить и различия между электрическим импульсом, бегущим по нервной клетке, и протеканием электрического тока по металлическим и иным проводам, которые мы используем в электронных схемах. Они потому-то и называются электронными, поскольку главными действующими лицами в них являются мельчайшие отрицательно заряженные частички – электроны. Двигаясь, например, по металлу, они переносят заряд, и мы это называем электрическим током.

А вот нервы, несмотря на поговорку, никогда не бывают стальными. В живой клетке перенос биоэлектрического сигнала осуществляется путем, более схожим с тем, что происходит внутри аккумулятора, заполненного проводящим раствором. Ведь клетка так же содержит жидкость, в которой находятся более массивные, чем электроны, заряженные частицы – ионы (о роли их присутствия в воздухе мы уже говорили). Это, правда, значительно уменьшает скорость распространения электрического импульса.

Природа выбрала такой, казалось бы, менее эффективный путь. Однако по сию пору догнать мозг по количеству и качеству выполняемых им функций, по необыкновенной экономичности и компактности искусственным системам – с проводами и контактами из твердых веществ – не удалось. Неужели не удастся и в будущем?

Почему нейроны действуют сообща?

Может быть, нам и не стоило бы пытаться воспроизвести все способности мозга с помощью проводов и схем, сделанных из твердых неорганических материалов? Нельзя ли попробовать вырастить что-либо подобное нейронам, то есть изготовить искусственный по происхождению, но схожий с природным по своим возможностям материал? Или, на худой конец, просто извлечь нейрон из организма и включить его в наши схемы, как их часть. Говоря по-иному, создать или использовать изолированно от живой материи отдельные нервные клетки. Но не тут-то было – воистину и в природе один в поле не воин.

Дело в том, что по мере роста и усложнения организма становится все более хитроумно устроенной его нервная система. Растущие нервные клетки не выполняют свои функции каждая сама по себе, независимо от другой. Они сообщаются между собой, устанавливают связи-сигналы, могут обмениваться информацией, то есть работают совместно.

Взгляните на рисунок, где показаны лишь два из многих способов коммуникации нервных клеток. Слева прямоугольничком выделен участок, где происходит так называемый синаптический контакт между аксоном одной клетки и отростком – шипиком другой. Интересно, что когда электрические сигналы, добежавшие до нервного окончания, должны быть переданы «соседке», в дело вступает уже известная вам химическая сигнализация. От одной клетки к другой перебегают, причем только в одном направлении, вещества, приводящие в действие новую электрическую эстафету, новый электрический импульс во второй нервной клетке.

Справа выделен участок, на котором подобным образом происходит коммуникация уже между дендритами, однако здесь обмен информацией, так сказать, взаимный. Получается, что все нервные клетки объединены между собой разветвленной системой сигнализации. Это и позволяет им работать как чему-то целому. Такую особенность подметили создатели современных компьютеров, понимая, что их возможности будут многократно увеличены, если машины строить на базе нейронных сетей.

Ох, и непростая это задача! Ведь в нашем мозгу более 10 миллиардов нейронов и бесчисленное количество связей между ними. Кроме того, нейроны специализируются по своим функциям. Те, что передают сигналы от рецепторов к мозгу, – о них шла речь в прошлом рассказе – порой, например в случае реакции на изменение температуры, могут и не «торопиться». А вот моторные нейроны, идущие от мозга к мышцам, обязаны действовать, что называется, моментально. Почему природа не создала их одинаковыми по скорости передачи импульсов? Да потому, что эволюции пришлось решать задачу с противоречивыми требованиями. Ведь скорость зависит от толщины нейрона: чем он больше в поперечном сечении, тем быстрее по нему бежит биоэлектрический импульс. И будь все нейроны в равной степени «спринтерами», на мышцы и скелет в организме места бы не осталось. В конце концов, по результатам приспособления к окружающей среде, и было найдено компромиссное решение, какой быть доле тонких и толстых нервных волокон.

Помните, мы обещали вернуться к лягушке, лапка которой дергалась в опытах Гальвани? Вот самое время для этого, поскольку теперь вам нетрудно будет ответить на вопрос, как заставляло электричество сокращаться ее мышцы. Заодно отметим, что Гальвани проводил и такие опыты, где действительно имел дело с «животным электричеством», со временем был реабилитирован, а подтверждением его правоты стала вся история электробиологии, которая в конце концов и привела к пониманию взаимодействия между нейронами.

А открытия, связанные с ними, не прекращаются! Так, раньше считалось, что нервные клетки не восстанавливаются. Оказалось, что нет, совместными действиями элементы нервной системы реконструируют утраченные системой функции, выделяя вещества, стимулирующие отстраивание разрушенного.

До последнего времени не удавалось заставить нервные клетки делиться и размножаться. Но вот уже получены такие культуры нейронов, что способны в дальнейшем разрастаться, соединяться друг с другом, образуя сети.

Найдены способы воздействия на одну-единственную нервную клетку с помощью микроминиатюрных устройств на основе кремния без затрагивания соседних нейронов – а это уже мостик, стыковка между информационными системами живого и искусственного происхождения.

Такого рода достижения и вселяют надежду на создание нейрокомпьютеров, использующих способы обработки информации в живых существах, или, как их еще называют, разумных машин XXI века.

Что помнят насекомые и птицы?

Конечно, работа мозга – не только у человека, но и у животных, и у значительно более простых существ – настолько сложна, что разобраться в ней, лишь непосредственно изучая одни нервные клетки, невозможно. Такие, чисто инструментальные исследования необходимо дополнять и наблюдениями за поведением животных. Они также дают немало пищи для размышлений.

Весьма любопытные факты были получены в экспериментах, проведенных еще в восьмидесятые годы прошлого века. Посмотрите на эту симпатичную птичку, называемую черноголовой гаичкой. Не напоминает ли она вам нашу синицу? Действительно, гаичка из того же роду-племени, а привлекли ее к опытам по изучению памяти. Было известно, что она со своим крошечным мозгом умудряется запомнить и отыскать сотни запрятанных семян, в то время как мы зачастую забываем и о десяти спрятанных вещах.

Но что это у нее с левым глазом? Не беспокойтесь, ничего страшного, просто на время эксперимента его закрывали колпачком. При этом птичке давали вдосталь семян подсолнечника, которых хватало и чтобы наесться сразу, и чтобы запасти впрок. Гаичка рассовывала лишние семена по тайникам, устроенным в подстилке из мха, разделенной для удобства наблюдений на квадраты.

Через некоторое время птичку выпускали для розыска спрятанных семян. Если колпачок оставался на прежнем месте, она прекрасно справлялась с задачей. Но стоило перенести колпачок на другой глаз, как ситуация полностью менялась: создавалось впечатление, что гаичка совершенно забыла, где находились ее тайники.

Ученые пришли к выводу, что в данном случае зрительная информация воспринимается каждым глазом по отдельности и запечатлевается только в одной, связанной с ним, половинке мозга. Таким образом, у птицы между этими половинками отсутствует перенос подобного рода сведений.

Почему этот факт важен? Да потому, что у высокоорганизованных животных, в том числе и у человека, в обработке зрительной информации от обоих глаз участвуют и правое, и левое полушария мозга. Хотя они и специализированы – левое отвечает за речь, письмо и счет, а правое воспринимает пространство и распознает образы, – работают они совместно, «рука об руку», дополняя функции друг друга.

У гаички же глаза расположены по бокам головы, левое и правое поля зрения не перекрываются, каждый глаз получаемые сведения передает лишь «своему» полушарию. Поэтому, не заложив в него информацию, нельзя и заставить ее вспомнить.

К чему ведут эти исследования? Благодаря достижениям в понимании работы полушарий мозга создаются такие системы, как разработанный отечественными учеными нейростереодисплей, позволяющий получать и наблюдать объемное изображение на мониторе компьютера без каких-либо очков и шлемов. Им уже заинтересовались авиадиспетчеры, которым важно иметь подобную картинку полетных ситуаций, а также разработчики объемного телевидения.

Еще один пример, касающийся существ с вроде бы ограниченными мыслительными способностями – насекомых. Какая у них может быть память? А вот взгляните на картинку. Пчел, которые хорошо освоили путь к специально устроенному месту медосбора, перенесли в темноте от улья в совсем незнакомое им место и там выпустили.

Если бы насекомые вообще не понимали, где они находятся, то они полетели бы по привычному направлению, как по компасу. Если бы им были нужны ориентиры или метки, сопровождающие старый путь, то они вернулись бы к улью, и направились бы привычной дорогой. Такие возможные трассы указаны пунктиром.

Удивительно, но пчелы выбрали кратчайший путь. А это говорило о том, что они прекрасно поняли, и где они находятся, и куда надо двигаться. Иными словами, в их крохотных головках, в памяти, содержались мысленные карты, созданные за время прошлых полетов, и они могли гибко распоряжаться уже «выученной» информацией.

Существуют ли таблетки памяти?

Давайте попробуем проследить за еще одной возможностью узнать побольше об устройстве памяти и о том, что именно на нее может повлиять. Сперва расскажем об одном сомнительном эксперименте.

Американские исследователи пытались обучить планарий – примитивных червей. Было известно, что на освещение ярким светом они реагируют – вытягиваются. Однако если в это время подвергнуть их слабому электрическому удару, то они, напротив, начинают сокращаться. Спустя какое-то количество опытов планарий обучают съеживаться лишь при воздействии света.

Оказалось, что и разделенные пополам планарии, – а таких червей можно делить и получаются два целых организма, – сохранили эту способность. Но еще более удивительно было то, что если обученных планарий скармливали необученным, то те приобретали такие же навыки. Получалось, что у этих червей во время обучения вырабатывается некое химическое вещество, которое хранит в себе и может передать другому организму не что иное, как память.

Эти и схожие с ними эксперименты вызвали целую бурю дискуссий в ученом мире. Окончательного вывода из них пока сделать не удалось. Но вот другой опыт, который был проведен абсолютно строго, по всем правилам, принятым в науке.

В неглубокий бассейн, заполненный водой, запускали крыс, как показано на рисунке слева. Для того чтобы они могли из него выбраться, в противоположном углу ставили лесенку. Прямой же путь из одного угла в другой перегораживали простенькими препятствиями. Крысы очень быстро обучались и находили кратчайший вариант прохождения такого лабиринта.

Затем этим, обученным, крысам вводили средство, нарушающее выработку некоторых химических веществ (протеинов) клетками мозга. Однако на крыс это не подействовало, и они по-прежнему быстро находили знакомый им путь.

В дальнейшем опыт видоизменили. Новых крыс обучили передвижению по тому же самому лабиринту и разделили их на две части. Первой группе ввели такое же средство, а вторую не подвергали его действию. Но теперь обе эти команды должны были проходить слегка переделанный лабиринт. Как видите на рисунке справа, даже форма пути была схожа с прежней. И что же – вторая команда моментально переобучилась и быстро находила выход. Но крысы, получившие инъекцию, оказались просто в растерянности – им потребовалось в несколько раз больше попыток, чтобы наконец сообразить, как выбраться из бассейна.

Получалось, что на уже хранящуюся в памяти информацию воздействовать не удается, но, вводя определенные вещества, можно помешать запоминанию информации свежей. Значит, между запоминанием и присутсвием химических соединений существует связь. Развитие подобных исследований привело к созданию препаратов, с помощью которых стало возможным непосредственно вмешиваться в деятельность мозга, стимулировать ее или угнетать, способствовать лечению тяжелых болезней или… вызывать наркотическое действие.

В недавних опытах на пауках было установлено, как влияют введенные им наркотики на вид сплетаемых ими паутин. Химические вещества воздействовали на миллионы лет складывающиеся механизмы передаваемой по наследству информации – паутины было не узнать. Причем каждому виду наркотика соответствовал свой, новый рисунок сети, так что возникла даже идея использовать пауков на таможнях для выявления характера провозимых наркотических веществ.

Бионики, разумеется, не могут спокойно пройти мимо открытий и идей, касающихся тонких и до сих пор во многом загадочных деталей устройства памяти. А что до тех, кто мечтает получать знания без труда, а лишь глотая содержащие их таблетки, то должны разочаровать – таких средств еще не изобрели!

Кто на свете всех умнее?

Этим рассказом мы завершаем главу о биоинформатике, но отнюдь, как вы поняли, не исчерпываем тему обработки и хранения информации в живом мире и наших возможностей воспользоваться здесь подсказками природы. Много удивительного открылось в последнее время, и человек вполне может гордиться тем, что из всех животных он – единственный, кто способен это понять и оценить, исследовать процессы мышления, думать по поводу того, что думает он сам и другие существа, да еще строить думающие машины.

Такими талантами одарила нас эволюция, снабдив высокоразвитым мозгом. Взгляните на диаграмму, на которой представлено восхождение от низших животных к высшим, соотнесенное с величиной мозга. Чем ближе мы подходим к занимаемому нами месту, тем круче идет кривая, тем резче видны различия в том, какими возможностями мышления наделила нас природа, выделяя мозгу все большую долю в организме.

Но давайте поставим вопрос так: если уж мы столь богато ею одарены, то не должны высокомерно отбрасывать очевидное и не делать вид, что не замечаем фактов, которые свидетельствуют о наличии у других существ умений и навыков, приписываемых ранее только людям.

Примеров тому немало. Назовем лишь не столь давно обнаруженную способность к счету у насекомых. Конечно, речь не идет о том, что они, наморщив лоб, загибают лапки, как мы – пальцы на руках. Или записывают числа в виде каких-то символов. Но установленный факт – то, что, например, для пчел не безразлично число совершаемых перед ульем пируэтов их соплеменницы, принесшей мед. Это – информация, передаваемая и воспринимаемая, как некое подобие цифрового языка. Американские же ученые считают, что в памяти пчел находится что-то вроде фотоальбома с образами содержащих нектар цветков, причем «снимки» эти цветные.

Или вот еще возможности, демонстрируемые муравьями. Они способны сообщить друг другу, на какой по счету веточке, отходящей от ствола дерева, находится лакомство. Более того, как полагают отечественные исследователи, муравьи в пределах пяти цифр могут складывать и вычитать.

А как отнестись к научным публикациям о воронах, подкладывающих орехи под колеса проезжающего транспорта? Об африканском сером попугае, просящем по-английски вещи, с которыми ему хочется поиграть? О шимпанзе, научившихся общаться с помощью клавиатуры пишущей машинки или жестами языка для глухонемых?

Заметьте, как меняются люди, соприкоснувшиеся с такими удивительными фактами. Когда-то человек отшучивался: «Животные не способны мыслить, но они себе на уме». А после опытов по проверке памяти и обучению осьминогов и кальмаров один из американских ученых заявил: «Сегодня у нас нет достаточного количества данных, чтобы точно определить уровень умственного развития головоногих, однако проблема эта существует только из-за недостатка ума у человека, а не у моллюска».

А вот… Стоп! Давайте удержим себя и остановимся в перечислении поразительных находок последнего времени. Наверное, стоит просто посоветовать повнимательнее следить за представителями живого мира – ведь именно с таких наблюдений и начинались подобные открытия.

Эпилог

Так связан, соединен от века
Союзом кровного родства
Разумный гений человека
С творящей силой естества…
Скажи заветное он слово —
И миром новым естество
Всегда откликнуться готово
На голос родственный его.

Ф. Тютчев

Вы прочитали книгу о природных изобретениях и о науке, которая пытается заимствовать их для нашей с вами пользы, – бионике. На самом же деле оказалось, что бионика – отнюдь не единственная героиня этой книги. Волей-неволей нам пришлось затронуть физику и химию, экологию и медицину, астрономию и геологию, в общем, практически все науки, составляющие широкое понятие «естествознание».

Впрочем, бионика вряд ли будет на это в обиде. Она же, по сути своей, – дисциплина синтезирующая, собирающая для решения какой-либо научной, инженерной или конструкторской задачи всех своих «соседок».

В этом вы могли убедиться, встретив на страницах нашей книги имена выдающихся ученых и инженеров, изобретателей и писателей, даже людей искусства. Большинство из них – весьма разносторонние люди, проявлявшие интерес к самым разным областям знания. А иначе, наверное, и быть не могло, ведь им вряд ли удавалось бы ставить сложные задачи и находить их решения, если б они не умели связывать достижения науки и техники с подсказками природы.

В ряду «героев» книги неоднократно появлялись такие обитатели Земли, как пчелы и тараканы, кузнечики и змеи, утконосы и лягушки, летучие мыши и дельфины, акулы и кальмары, тюлени и киты, разнообразные растения. Были среди них и давно вымершие динозавры, и фантастические существа. И даже мельчайшие организмы – бактерии – становились персонажами наших рассказов. А говорит все это о том, что каждое живое существо – огромный мир. И наблюдать за ним, и изучать его можно с самых разных точек зрения.

Для автора книги тема неисчерпаемого разнообразия природы была главной. Очень хотелось бы донести и до читателя чувство восхищения той грандиозной постройкой, которая называется Природой. А также призвать его беречь и изучать прекрасный и загадочный мир, который нас окружает и понемногу, не спеша, открывает упорным и любознательным свои сокровенные тайны.

Давайте прислушаемся напоследок к словам французского натуралиста Жозефа Бюффона, автора «Естественной истории» – многотомной энциклопедии естествознания XVIII века: «Естественная история, взятая во всем своем объеме, охватывает все, что обнаруживается во Вселенной. Это чудовищное множество четвероногих, птиц, рыб, насекомых, растений, минералов и т. д. представляет собой для любознательности человеческого ума грандиозный спектакль, ансамбль которого так велик, что кажется неисчерпаемым в своих деталях».