Естественные технологии: шесть старых новостей

Неслучайные аналогии

В советское время научно-популярные журналы любили пропагандировать бионику - науку о построении технических устройств, использующих принципы работы живых организмов. К сожалению, бионика не дала того эффекта, на который надеялись ее энтузиасты. Раз за разом «подсмотреть секреты природы» по заказу не удавалось. Все дело - в кардинальном отличии материалов, которые используют живые организмы и технические устройства, а также принципиально разных технологических подходах. Те случаи, когда живая природа и техника задействовали сходные решения, чаще всего оказывались не результатом «промышленного шпионажа», а независимой разработкой конструкций, имевших сходные черты.

Однако время не стоит на месте. Развитие нанотехнологий и прогресс в материаловедении несколько приближают технические решения к биологическим. Примером может быть открытие, сделанное в Университете Эксетера, Великобритания. Выяснилось, что светоизлучающие структуры на крыльях африканских бабочек Princeps nireus подобны таковым на сверхэкономных светодиодах, сделанных несколько лет назад в Массачусетском технологическом институте.

Рассматривая крылья бабочки, ученые обнаружили, что они не просто отражают солнечный свет, а ярко светятся, эффективно излучая в определенном направлении. Детальный анализ под микроскопом показал, что голубые чешуйки на крыльях устроены весьма хитроумно. Они содержат натуральный пигмент, который поглощает синюю часть солнечного спектра и флуоресцирует на чуть большей длине волны. Под пигментом расположена эффективно отражающая структура, известная в оптике как распределенный рефлектор Брэгга.

Но и это еще не все! Над пигментом имеется пористое покрытие, пронизанное почти регулярными цилиндрическими каналами. Расчеты показали, что оно обладает свойствами фотонного кристалла, настроенного на длину волны, излучаемую пигментом. Фотонный кристалл мешает свету рассеиваться и поглощаться крыльями, играя роль миниатюрного волновода, который заметно увеличивает эффективность излучения1.

Поразительно, но к точно такой же конструкции, содержащей рефлекторы Брэгга и фотонный кристалл, пришли инженеры, спроектировавшие сверхъяркие светодиоды. Более того, строение чешуек подсказало ученым, что для хорошего фотонного кристалла вовсе не обязательно очень строго соблюдать размеры и периодичность расположения отверстий.

Еще один пример. Профессор Люк Ли (Luke Lee) из Калифорнийского университета в Беркли считает, что в робототехнике лучше использовать глаза, сделанные по фасеточному принципу (как у членистоногих), а не глаза-камеры (как у позвоночных или головоногих моллюсков). Может быть, сходство членистоногих с роботами не случайно? И те и другие имеют фиксированный набор движений, жестко заданные поведенческие программы и твердые покровы. Искусственная модель омматидия (элементарного «глазка") состоит из линзы и волновода, перенаправляющего свет на электронный сенсор. Из таких линз нетрудно составить любую поверхность; можно даже почти полностью покрыть ими сферу, обеспечив обзор во всех направлениях. Особенно хороши подобные системы для распознавания движения быстрых объектов, переходящих от одного омматидия к другому. Раз такая конструкция великолепно работает в случае стрекозы, почему бы ей не подойти, например, для автономного робота-шпиона? А еще можно сделать маленькую круглую таблеточку, а потом проглотить ее и посмотреть на себя изнутри…

Обратите внимание, что с точки зрения бионики больший интерес представляют относительно старые группы животных. Их приспособления отточены миллионами лет эволюции. Наверное, самые интересные с инженерной точки зрения животные - те, которые на протяжении длительного времени совершенствуются в решении определенной узкой задачи. Вот тогда и появляются конструкции наподобие дисков на лапах геккона токи, мельчайшие волоски на которых2 прилегают к любым неровностям поверхности (хоть шершавой, хоть полированной), вступая с ними в межатомное ван-дер-ваальсово взаимодействие. Может, специалистам из Института Макса Планка в Германии или из Университета Манчестера в Великобритании, заинтересовавшимся такой идеей, и удастся скопировать подобный эффект.

Впрочем, чудеса могут показывать представители и новых групп (правда, тоже весьма специализированных). Знаете, например, зачем кашалоту его большая голова? Она занимает до трети длины тела кашалота и сбоку кажется прямоугольной из-за расположенной над верхней челюстью емкости с восковидным веществом - спермацетом. В древности это вещество считали китовой спермой3, отсюда и название. Кстати, именно из-за спермацета кашалотов усиленно истребляли - он является исключительно удачной основой для дорогой парфюмерии, эффективно связывая различные ароматические молекулы. То, что спермацет не имеет отношения к похоти, известно давно, а вот его настоящее предназначение стало понятно совсем недавно.

У наземных четвероногих (включая человека) при нырянии могут возникать сложности из-за наличия воздуха в легких. Ведь прежде чем нырнуть, мы делаем хороший вдох. Наполненные воздухом легкие придают телу положительную плавучесть, которую приходится преодолевать при погружении. Но стоит только, интенсивно работая конечностями, опуститься поглубже, ситуация меняется. С учетом того, что давление десяти метров водного столба примерно соответствует атмосфере, на этой глубине давление удваивается, а объем легких уменьшается вдвое. Плавучесть тела становится отрицательной, и его тянет дальше на глубину - а тут как раз надо всплывать, преодолевая этот эффект.

Кашалот ныряет на два километра - он там охотится на гигантских кальмаров. Естественно, для этого необходимо иметь грудную клетку, выдерживающую двухсоткратное уменьшение объема (ребра человека начнут ломаться при куда меньшем сжатии). Кроме того, погружение и всплытие кита облегчается благодаря емкости со спермацетом. Это вещество переходит в жидкое состояние при температуре тела и затвердевает, существенно увеличивая свой объем, при небольшом понижении температуры. Перед тем как нырнуть, кашалот усиливает кровоснабжение емкости со спермацетом. Спермацет тает, голова кита уменьшается в объеме и начинает тянуть его на глубину. Кашалот ныряет. Когда наступает пора всплывать, он охлаждает спермацет (то ли ослабляя кровообращение, то ли набирая в ноздри «забортную» воду). Спермацет расширяется и увеличивает объем головы, преодолевая ужасающее внешнее давление. Головой вперед кашалот взмывает к поверхности, удерживая в челюстях слабеющего кальмара…

Для батискафов и подводных лодок изменение плавучести связано с расходом определенных веществ - сбрасыванием балласта, выпусканием керосина из подвесных баков, расходом сжатого воздуха на продувку емкостей. Кашалот тратит лишь энергию, которую получает благодаря окислению плоти пойманных на глубине кальмаров кислородом воздуха, который он черпает на поверхности.

Инженерам есть над чем работать!


1 Нужно это для того, чтобы, порхая под сенью густого африканского леса, представители одного вида могли узнавать друг друга. Обратно к тексту

2 Диаметром 0,2 мкм. Обратно к тексту

Представьте, каков самец! И все это богатство ударило ему в голову! Обратно к тексту

 

Ода паразиту

Признавая на словах сложность природы, мы сохраняем склонность к черно-белому мышлению, разделяя виды на полезные и вредные, хорошие и плохие, привлекательные и отталкивающие. Действительность, как всегда, оказывается сложнее. Вот лишь несколько последних новостей, относящихся к теме межвидовых отношений.

Гамбургская фирма Ovamed разрабатывает новое средство для борьбы с аллергией и другими аутоиммунными болезнями. Это жидкость с личинками Trichuris suis, круглых червей, паразитирующих на свиньях. Предполагается, что столь привлекательное средство может помочь в борьбе со множеством недугов, от хронического насморка до астмы или колита. Дело в том, что с победой над глистами наша иммунная система лишилась естественных мишеней и стала реагировать на ложные сигналы, переключающие ее на собственные ткани. Такая борьба с самим собой становится причиной множества модных в нынешнее время болезней. Планируется, что за те две недели, которые свиные глисты протянут в кишечнике человека, они предложат иммунитету более подходящую цель.

Еще благотворнее паразиты влияют на лососей, в частности семгу и кумжу. Эти проходные рыбы нерестятся в реках, но еще мальками перебираются в моря, где живут до достижения половозрелости. Созревшие рыбы поднимаются в реки, мечут икру и гибнут. Однако одна причина может остановить механизм самоуничтожения. Это личинки европейской жемчужницы, когда-то обычного, а теперь исчезающего двустворчатого моллюска, жизненный цикл которого включает паразитирование на жабрах рыб. Поселившись на жабрах лосося, личинки жемчужниц выделяют вещества, блокирующие часовой механизм смерти и даже усиливающие сопротивляемость хозяина к грибковым инфекциям. Последнее - нелишне, и вот почему.

Авторитетный консилиум специалистов, собиравшийся в Вашингтоне, назвал причину, повинную в резком сокращении численности амфибий по всему миру. Это Batrachochytrium dendrobatidis, гриб из группы хитридиомицетов, поражающий их покровы. Еще недавно этот гриб не был известен, а сейчас, расселяясь по всему миру при помощи человека, он угрожает едва ли не трети существующих видов амфибий. Отношения этого паразита с его хозяевами имеют недолгую историю, и потому-то его распространение столь разрушительно. В эволюционной перспективе гриб-захватчик должен или выработать механизмы, способствующие сохранению его ресурсов (популяций амфибий), или исчезнуть (возможно, вместе со своими хозяевами).

Еще несколько примеров неожиданных связей между разными видами. Существованию черного носорога угрожает Chromolaena odorata - южноамериканский сорняк, распространяющийся в Африке. На новом месте этот вид оказался весьма жизнеспособен. Характер воздействия на носорогов очень прост: вселенец вытесняет местные виды трав и заставляет носорогов покинуть земли, ставшие для них непригодными.

Первое место по разнообразию древесных растений занимает дождевой тропический лес. В густом лесу деревья одного вида разделены десятками и сотнями метров. Именно поэтому участки, сплошь заросшие одним видом (Duroia hirsuta) получили название «садов дьявола». Специалисты из Стэнфордского университета установили, что эти сады «выращивают» муравьи Myrmelachista schumanni. Муравьи, обитающие в стеблях названного вида деревьев, уничтожают проростки всех других видов, используя муравьиную кислоту как гербицид.

Мы постепенно учимся использовать выгоды от межвидовых взаимодействий. Так, их можно применять в целях защиты растений. Ко многим способам защиты посевов (обработать ядохимикатами; сделать растения токсичными или отталкивающими для вредителей; выпустить на поле естественных врагов вредителей и т. д.) добавился еще один. Британско-голландский коллектив генетических инженеров встроил в резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) ген, привлекающий хищных клещей (Phytoseiulus persimilis), которые защищают растение от других клещей, приносящих ему вред. Такое решение - новость лишь для человека. В растительном мире этот способ широко распространен. Но чтобы использовать такие решения, нужно смотреть на мир вокруг нас гораздо внимательнее, чем мы привыкли.

 

Виртуальная реальность по-кукушечьи

Затраты сил на производство потомства у птиц, как и у многих других животных (людей, например), можно разделить на две части. Первая связана с физиологическими потерями матери (у птиц развитие яиц, у людей — вынашивание плода во время беременности). Вторая группа затрат связана с обеспечением потребностей растущих потомков (у птиц — выкармливание птенцов, у человека —воспитание и обеспечение разнообразных потребностей детей). Чем сложнее организм и насыщеннее забота о потомстве, тем больше удельный вес затрат второй группы. Любопытно, однако, что в принципе их можно избежать. В простонародье эту стратегию часто называют кукушечьей, а орнитологи — гнездовым паразитизмом.

Кукушка откладывает яйца в гнезда других видов птиц. Кукушонок развивается быстрее, чем настоящие дети его хозяев, и, едва вылупившись, выбрасывает из гнезда другие яйца и птенцов. Ему остается только переключить на себя заботы приемных родителей, заставив их тратить усилия на кормление единственного урода-переростка (обычно кукушка гораздо крупнее тех видов, на которых паразитирует).

Вам приходилось замечать, как трогает душу детская потребность в заботе или врожденное умение детей кокетничать и «строить глазки», привлекая к себе внимание? Мы запрограммированы на заботу о детях, и те знают, на какие кнопки при необходимости следует нажимать. Психика приемных родителей кукушат устроена проще, чем наша, и они оказываются более управляемыми. Визуальным ключом, обеспечивающим мотивацию вскармливающих потомство птиц, является широко открытый просящий рот птенца, зачастую окрашенный в желтый или красный цвет, а то и маркированный контрастными пятнами. Аудиальный ключ — требовательный писк выпрашивающего корм птенца.

Европейская кукушка использует для управления приемными родителями аудиальный канал. Громкие крики единственного птенца заставляют родителей без устали заталкивать пищу в его ненасытный рот. Но недостаток громкого крика в том, что он привлекает хищников — куницы и ласки могут разорить половину всех гнезд. Японские орнитологи опубликовали в журнале Science результаты изучения распространенного в их стране вида кукушек. Птенцы этого вида имеют на крыльях пятна, напоминающие раскрытые рты птенцов приемных хозяев. Кукушонок, выпрашивающий пищу, дрожит всем телом, и «рты» на его крыльях колеблются, как головы голодных детенышей на тонких шеях. В полутьме гнезда эта картина оказывается убедительной для родителей погубленного кукушонком выводка и мотивирует их на заботу о гнездовом паразите. Таким образом, визуальная мимикрия позволяет уменьшить громкость криков, представляющих опасность для самого подброшенного птенца.

Отставьте в сторону антропоморфные оценки: стратегию кукушки можно назвать коварной лишь в переносном смысле. Но как не восхититься ее совершенством?

 

Информационная война с бактериями

В последнее время получила распространение концептуально новая идея борьбы с болезнетворными бактериями. Как ни просты эти существа, в развитии инфекции значительную роль играет обмен информацией между ними.

Оказывается, многие возбудители болезней способны выбирать одну из двух стратегий. Первая заключается в том, что бактерия пребывает в «полусонном» состоянии, не эксплуатируя хозяина, но сохраняя свою жизнь благодаря низкой активности хозяйской системы иммунной защиты. Вторая состоит в нападении на организм хозяина и (в случае «победы») интенсивном размножении за его счет. Переход от первой стратегии ко второй может вызываться, к примеру, резким ослаблением хозяина. А пока хозяин в форме, атака на него, предпринятая небольшим числом бактерий, приведет к их уничтожению. Однако если бактерий много, противостоящие им защитные системы могут попросту захлебнуться. Значит, бактериям нужно обмениваться друг с другом информацией о размере «шайки» и начинать атаку лишь после достижения определенной численности. Так ведут себя возбудители самых разных болезней, в том числе холеры, сальмонеллеза, туберкулеза или кариеса. Удобной моделью для изучения химической коммуникации оказались бактерии, вызывающие свечение некоторых видов кальмаров: они начинают сиять голубым цветом только по достижении нападающими критической численности.

Если переход бактерий в активное состояние является результатом обмена информацией между ними, то, нарушив этот обмен, можно удержать возбудителей от нападения. В реализации этой идеи могут быть полезны вещества, изученные в университете Нового Южного Уэльса (Австралия), — фураноны. Они извлечены из австралийского представителя красных водорослей Delisea pulchra. Пока что зарегистрировано сдерживающее воздействие фуранонов на светящиеся бактерии из кальмаров (что не имеет особого практического значения) и на возбудителей холеры (что намного важнее).

При этом использование веществ, «умиротворяющих» бактерий, гораздо перспективнее, нежели война с ними при помощи антибиотиков. Если рост бактерий сдерживается антибиотиком, захватить все свободные ресурсы может даже потомство одной аномальной особи, которая оказалось к нему нечувствительной. А чтобы бактериальная коммуникация успешно заработала в присутствии веществ-умиротворителей, нужно, чтобы устойчивых особей было достаточно много. Что толку призывать к атаке, если тебя никто не слышит?

 

3D-геном: как же оно работает?

Европейский Союз выделил 2,2 млн. евро на международную программу 3DGENOME. Выполняет ее консорциум из семи европейских партнеров, координируемых из Института Сваммердама в университете Амстердама.

Задача программы — определение трехмерной структуры (конформации) ДНК в ядре клетки. В ходе исследования будут использованы новейшие методы микроскопии в сочетании с программными системами обработки изображений, позволяющими реконструировать структуру супермолекулы ДНК. Работа будет вестись на клетках человека, мыши и дрозофилы (исследователи считают, что с интересующей их точки зрения эти клетки принципиально не отличаются).

Длина молекул ДНК, содержащихся в ядре человеческой клетки, достигает 2 м. Для сравнения: ту же степень компактности имеет двадцатикилометровая нить, помещенная в теннисный мячик! Более того, эта «нить» не просто упакована, а интенсивно работает: сложные ферментные системы проверяют состояние ДНК и считывают информацию с ее активных участков. Компактизация ДНК осуществляется на нескольких уровнях, для нее важны взаимодействия между теми или иными участками самой ДНК и различными белками.

3DGENOME — один из шагов, направленных на понимание механизма управления развитием клетки и организма. Предыдущим шагом был широко разрекламированный проект по изучению генома человека. Хотя он завершился вполне успешно (основная часть последовательностей ДНК человека прочитана), оптимисты были разочарованы. Получена масса ценных и интересных фактов, однако как работает геном в целом, яснее не стало. Увы, до сих пор непонятно, как объяснить всю структурно-функциональную сложность тела и психики человека 35 тысячами генов, составляющих около 2% ДНК. Связь между активностью генов и клеточной специализацией — сложнейшая проблема для исследования. Сейчас ясно, что одним из главных способов управления генной активностью является именно изменение конформации ДНК. Изучая ее, необходимо рассматривать молекулу ДНК не как совокупность отдельных управляющих единиц, разделенных «мусором», а как единое целое, имеющее множество степеней свободы.

Остается, правда, открытым вопрос: хватит ли наших способностей к интерпретации сверхсложных массивов данных, чтобы понять механизм управления развитием после выполнения этого проекта?

 

Суслик с IR-портом

В университете Дэвиса (Калифорния) впервые зарегистрирована передача информации между двумя видами животных с помощью инфракрасного излучения.

Многие пресмыкающиеся, ведущие ночной образ жизни, имеют специальные органы для регистрации теплового излучения жертв — углубления на поверхности морды, затянутые тонкой мембраной. Так, ямкоголовые змеи (щитомордники, гремучники и др.), у которых эти органы развиты лучше всего, способны охотиться в полной темноте или с заклеенными глазами. Прячась от хищников, ориентирующихся по зрению, жертвы могут маскироваться под окружающий фон; скрыть же тепловое излучение практически невозможно. Даже охотясь днем, оснащенные термолокаторами змеи получают значительную часть информации об окружающей среде и потенциальных жертвах с помощью этих органов.

В Калифорнии гремучие змеи предпочитают выискивать молодь сусликов, поскольку взрослые особи — чересчур увертливая и агрессивная добыча. Встретившись с гремучей змеей, суслики бесстрашно нападают на нее. Удивительно, что при этом зверьки увеличивают тепловое излучение от своего хвоста (раздвигая на нем шерсть и усиливая кровообращение). Этот сигнал воспринимается змеей, которая, вероятно, переходит от охотничьего поведения к оборонительному. Нельзя исключить и того, что «горячий» хвост оказывается для гремучей змеи ложной мишенью, по которой она нанесет удар в первую очередь. Подобная реакция сусликов — не автоматическая, а связана именно с данным видом врагов: защищаясь от змей, лишенных термолокаторов, зверьки не тратят энергию на разогрев хвоста. Что, в общем, логично: к каждому следует обращаться на доступном ему языке.


Д. Шабанов, Андреев Г. Неслучайные аналогии // Компьютерра, М., 2005. – № 44 (616)
Д. Шабанов. Ода паразиту // Компьютерра, М., 2005. – № 39 (611)
Д. Шабанов. Виртуальная реальность по-кукушечьи // Компьютерра, М., 2005. – № 19 (591) 
Д. Шабанов. Информационная война с бактериями // Компьютерра, М., 2004. – № 48 (572)  
Д. Шабанов. 3D-геном: как же оно работает? // Компьютерра, М., 2004. – № 26–27 (550–551). – С. 11 
Д. Шабанов. Суслик с IR-портом // Компьютерра, М., 2004. – № 25 (549). – С. 14

Комментарии

Аватар пользователя Августа_Фиалкина

Замечательная подборка. Было очень интересно. Сила Ван-дер-Ваальса и геккон очень удивили. За кашалота порадовалась. Но удивительно - как люди могли додуматься применить его спермацит ? По поводу аллергии - а насколько долгим будет эффект от паразитов? И нельзя ли, например, простыть или какой другой хворью отвлечь организм? Про фуранон новой информации в сети не нашла. А идея чудесная. Правда, вряд ли так думают производители антибиотиков :)