Бионика в жизни человека

Из истории практической биологии

Вся история становления и развития науки биологии показывает, что во все времена практическая (прикладная) часть знаний о живой природе, то есть «практическая биология», играла важную роль в жизни людей и природы. Особенно большое значение биология имеет для сельского, лесного, промыслового хозяйства и медицины.

Уже первоначальное познание растений и животных, как показывает история материальной культуры, было связано с непременным использованием их в быту и хозяйстве человека (для питания, изготовления одежды, врачевания). Сбором пищевых растений, охотой и примитивным рыболовством люди начали заниматься еще в каменном веке.

Переход от сбора растений к примитивным формам их культивирования произошел в обществе людей несколько позже — в конце каменного века в начале эпохи бронзы. Первоначальное культивирование растений, в частности посев хлебных злаков, стало важным этапом в жизни первобытных людей. Последовавшее затем одомашнивание животных и развитие скотоводства обусловили появление плужного земледелия: для вспашки стали использовать прирученный домашний скот, а для обработки почвы -применять примитивные плуги, сделанные из корней и ветвей деревьев. Земледелие и скотоводство способствовали переходу человека к оседлой жизни.

Первые культурные очаги человечества возникли в Передней Азии, Китае, Египте и Индии благодаря примитивному земледелию и скотоводству. Археологические находки в Палестине и Египте свидетельствуют о наличии земледелия на этих территориях в 10-м тысячелетии до н. э. Здесь люди сеяли пшеницу, ячмень, горох, чечевицу, разводили виноград, финиковую пальму и гранатник, маслины и мак, возделывали хлопчатник и лен. Льняные ткани древнего Египта славились своим высоким качеством на протяжении нескольких веков.

Интродукция

Благодаря знаниям из области биогеографии и экологии человечество пополняет разнообразие культурных растений и домашних животных новыми видами с помощью интродукции или акклиматизации. Интродукция (от лат. introductio — «введение») — это внедрение отдельных видов растений и животных в новые климатические или биогеоценотические условия. Акклиматизация (от лат. ab — «к», «при» и греч. klima — «климат») означает преднамеренный или случайный перенос особей и видов в какую-либо страну или область с новыми для них, непривычными природными условиями или на территорию, где они ранее обитали, но по каким-то обстоятельствам исчезли, и их приспособление к новой среде обитания. Последнее явление обычно называют реакклиматизацией. Человек часто специально внедряет некоторые виды из дикой природы в культуру. Так произошли культурные растения и домашние животные. Интродукция продолжается и в настоящее время.

Например, облепиха (Hippiphae) — колючий кустарник с сочными костянковидными плодами, произрастающий по берегам рек и озер в горах Тибета, Тянь-Шаня и Алтая, — около 30 лет назад была введена в культуру (рис. 6). В настоящее время облепиха выращивается на обрабатываемых землях новых для нее регионов, поскольку является ценным лекарственным растением.

В любительских садах облепиху высаживают даже в северных районах России, например в Ленинградской области и Карелии. При этом уже созданы ее разные сорта, в том числе и облепиха без колючек.

В последние 25-30 лет активно входит в ягодное садоводство сибирский кустарник жимолость съедобная (Lonicera edulis) с ароматными кисло-сладкими, сочными ягодами, богатыми витаминами. Селекционеры вывели ее многочисленные сорта, различающиеся по вкусу ягод, их форме, по срокам созревания плодов и форме куста. Не так давно в культуру вошло лиановидное растение актинидия китайская (Actinidia chinensis), называемое обычно киви, в диком виде произрастающее в лесах Юго-Восточной Азии. Теперь оно выращивается на Кавказе, в Крыму, в садах Германии и других стран Европы и Америки. В Новой Зеландии существуют крупные плантации киви, плоды которой служат предметом экспорта во многие страны, в том числе и в нашу.
Среди животных в 80-е годы XX века на птицефермах началось активное разведение перепела японского как яйценосной и мясной породы. В качестве декоративной комнатной птицы самцы японского перепела издавна разводились жителями Японии, Китая и Средней Азии. Однако в производственных целях — для получения яиц, а позднее и мяса — перепел стал использоваться лишь с конца XX века.

Биотехнология и генетическая инженерия

В последние годы развитие генетической (генной) инженерии обеспечивает широкие возможности использования живых организмов в производстве необходимых лекарственных средств, например таких, как инсулин, гормон роста, интерферон и пр. Промышленное использование организмов, особенно микроорганизмов, стало особой практической областью биологии, получившей название биотехнология.

Биотехнология, теоретическую основу которой составляет биология, а практическую — генетическая инженерия, является новым и важным направлением в развитии материального производства. Она оказывает влияние на решение глобальных проблем, таких, как производство пищи и лекарств, выявление новых источников энергии, сохранение окружающей среды.

Современная биотехнология характеризуется многообразием направлений практического применения. В народном хозяйстве широко используются методы биологической очистки сточных вод, биологической защиты растений от вредителей и болезней, микробиологического синтеза кормовых добавок (белков, аминокислот) и биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов), генетической (использование рекомбинантной ДНК для получения человеческого инсулина — хумулина) и клеточной (выращивание из одной клетки новых форм растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным условиям внешней среды и болезням, например картофеля, садовой земляники, женьшеня и др.) инженерии.

Бионика (от греч. bion — «элемент жизни», «живущий») — это новое направление, основанное на использовании знаний из области биологии в технике для решения инженерных задач и создания более совершенных технических устройств, принципиально новых машин и аппаратов. Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе, то есть принципов построения и функционирования различных биосистем или их элементов для последующего применения полученных знаний в народном хозяйстве и коренного усовершенствования технических конструкций. В решении задач бионики вместе с биологами принимают участие физики, химики, математики, кибернетики, архитекторы и инженеры различных специальностей.

Многие животные используют эхо для ориентации в пространстве и для добычи пищи. Например, дятел отыскивает внутри ствола личинки жуков-короедов, ночная сова сипуха добывает пищу в полной темноте, летучие мыши и южноамериканская птица гуахаро, живущие в пещерах, во время ночной охоты издают щелчки и по отраженной звуковой волне определяют окружающие предметы и расстояние до них. Этот способ ориентации живых организмов в пространстве лег в основу создания радаров, с помощью которых определяют местонахождение объекта, направление и скорость его движения.

Дырчатые конструкции известковых скелетов глубоководных морских кишечнополостных животных послужили идеей для создания Эйфелевой башни. Подобных примеров заимствования секретов у природы великое множество (рис. 7).

Изучение гидродинамических особенностей водных животных было использовано при проектировании кораблей: обтекаемая форма современных подводных лодок, покрытие их корпусов искусственной «дельфиньей кожей» (ломинфло). Архитекторы в своем творчестве очень часто используют полезные приспособления живых организмов при проектировании формы и расположения опорных элементов в конструируемых объектах. Так, бутон цветка послужил прототипом крупномасштабных строений без опорных крыш — некоторых выставочных павильонов (в Челябинске, Ереване), купола цирка в Казани.

Роль практической биологии в научных обобщениях

Знание свойств некоторых растений и животных с давних пор использовалось в лечебных целях. В далекое прошлое уходят связи биологического знания с медициной. Многие врачи прошлого были одновременно и выдающимися биологами. Среди них — Гиппократ (460-377 до н. э.), Клавдий Гален (129-201), Авиценна (980-1037), Андреас Везалий (1514-1564) и др.

Даже первоначальные сведения о строении человеческого организма служили хорошей основой для развития практической медицины, а накопленные фактические материалы о многообразии растений, животных, бактерий и грибов помогли сформулировать ряд важнейших теоретических положений: о свойствах живых организмов, системе органического мира, его эволюции, структурных уровнях сложных биосистем, закономерностях наследования и пр.

Все эти обобщения в виде идей, теорий, выявленных закономерностей, в свою очередь, обогащали практическую часть биологии. Например, появление клеточной теории помогло раскрыть причины многих патологических процессов. Исследования и открытия в области физиологии, микробиологии, иммунологии позволили выявить защитные реакции организма и найти способы предупреждения инфекционных заболеваний. Работы генетиков, посвященные проявлению действия генов у человека, выявили причины наследственных заболеваний. В настоящее время данные цитологии, анатомии, физиологии и биохимии, общей и молекулярной генетики, экологии, микробиологии, вирусологии служат теоретическим фундаментом для диагностики, лечения и профилактики многих болезней, в том числе и некоторых наследственных недугов человека.

Знание биологических закономерностей лежит в основе сохранения и поддержания здоровья человека, и медицина постоянно использует его в своей практике. Материалы, накопленные наукой о клетке и внутриклеточных процессах, произвели многочисленные обновления в практической медицине. Теперь многие заболевания вылечиваются лекарственными средствами, действующими на организм больного на внутриклеточном, клеточном и тканевом уровнях.

Развитие биологических знаний, произошедшее в XX веке, их возросшая практическая роль в жизни общества свидетельствуют, что биология становится реальной производительной силой и основой рациональных отношений между человеком и природой. Знания биологии являются условием существования и устойчивого развития человечества и всей природы в целом.

Человечество уже вошло в XXI век. В нем биология будет развиваться особенно активно в направлении расширения прикладных разработок, внедрения фундаментальных достижений биологической науки в практику с целью обеспечения устойчивого развития природы и общества, осуществления мероприятий по предотвращению природных катаклизмов и сохранению здоровья человека.

Введение

Первые применения бионики

Классические примеры:

Внешнее строение листа

Внутреннее строение стебля травянистого растения

Распространение плодов и семян

Характеристика семейства злаков

Класс насекомые. Отряд двукрылые

Строение и функции отделов головного мозга

Умная природа

Современные открытия:

Скелет глубоководных губок

Стаи термитов, на благо общества

Бегающие и прыгающие роботы

Заключение

Приложение

Список литературы

Введение

Био́ника (от греч. biōn — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области бионики В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при создании технических систем или архитектурных объектов исследует не одна, а несколько биофизических наук.

Различают:

-биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

-теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

-техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

à изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

à исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

à изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

à исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Первые применения бионики

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал (приложение рис. №1).

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем (приложение рис. №2).

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк).

В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды (приложение рис. №3).

Классические примеры

«Внешнее строение листа»

Обратим внимание на их архитектонику, назначение различных жилок.

Подобно строению листа строят деревянные основания для крыш жилых домов. Вдоль располагают основную балку, а перпендикулярно крепятся поперечные. На них кладут доски, а на досках крепится кровельное покрытие.

Продольные жилки листа имеют твердую ткань и скреплены поперечными серповидными перепонками из той же ткани. Такое строение создает прочную ос­нову для устойчивого положения полупрозрачной и тонкой кожицы листа.

По подобию строения листа дерева (приложение рис. №4 -а, б) сооружен свод главного зала Туринской выставки (Италия) (приложение рис. №4 -в). В конструкции свода изогнутые продольные ребра и волнистые поперечные диафрагмы создают необхо­димую жесткость и устойчивость, давая возможность без опор перекрыть пространство пролетом 98 м.

Строительные сооружения, которые создает чело­век, удовлетворяют его требованиям и так же, как естественные природные конструкции, противостоят внешнему влиянию климатических и погодных изменений.

«Внутреннее строение стебля травянистого растения»

У поперечных срезов стеблей травянистых расте­ний — иное строение по сравнению с древесными. На­пример, в поперечном разрезе стебель растения пухоноса (приложение

Добавить комментарий

Закрыть меню