Технические модели живых систем

Сегодня ясно, что формированию бионики как науки содействовала вся предыдущая деятельность человечества. Многие наблюдения над живой природой были проведены в глубокой древности. Так, сотни лет назад арабские врачи, проводя хирургические операции глаз, получили основное представление об их строении, о том, как происходит преломление лучей света при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Сделанные наблюдения подсказали конструкцию хрустальной линзы, которая позволила увеличить изображение. Сейчас мы отчетливо представляем, что линза помогла позднее создать Р. Гуку прообраз современного микроскопа и Г. Галилею телескоп. Иными словами, арабские врачи, с нашей точки зрения, явились основоположниками наблюдений для создания оптики. Такие примеры есть во всей истории человечества.

Очень сложно устроены органы зрения. Объектом исследования являются глаза животных. Наиболее хорошей природной моделью глаза человека оказался глаз ракообразного — лимулуса, который остался без изменений практически с древнейших времен. По сравнению с глазом человека глаз лимулуса имеет в сто тысяч раз меньше светочувствительных клеток — всего одну тысячу. Свет 1 падает на чувствительные клетки. Каждая из них содержит линзу 2, фокусирующую свет. К линзам подходят нервные окончания — дендриты 3. Здесь энергия света переходит в химическую, приводящую к образованию нервного импульса. По нервным волокнам — аксонам 5 — появившиеся под влиянием света импульсы попадают в мозг, где подвергаются окончательной обработке.

Для изучения электрических характеристик этого явления в зрительный нерв лимулуса вставляли специальные миниатюрные электроды А и Б, которые позволяли наблюдать импульсы от соседних клеток. В процессе наблюдений узнали, что если свет 1 попадает на клетку, соединенную с нервным волокном 5, то только в этом волокне появляются нервные импульсы частоты ω₁. Если осветить клетку, связанную с нервным волокном Б, то только в ней появится нервный импульс определенной частоты ω₂. Когда освещаются обе клетки, то и в нервном волокне А, и в нервном волокне Б регистрируются нервные импульсы, однако они имеют частоту следования импульсов ω₂ меньшую, чем ω₁. Каждый раз происходит автоматическое согласование работы чувствительных клеток со средним значением раздражителя (в данном случае им является электромагнитная энергия света). Количество энергии света, полученное одной клеткой, изменяет порог чувствительности соседних клеток. В этом процессе взаимодействия участвует сеть мелких нервных волокон, окончания которых влияют на уровень поляризации нейронов.

В рассуждениях о бионике мы хотим отметить моменты, которые будят геологические мысли. Вновь посмотрим на рисунке. Он отдаленно напоминает геологический разрез над рудным телом. Можно даже сказать почему: во-первых, по форме рудные тела на геологических разрезах часто имеют корни-«ножки» — подводящие каналы, затем их основные и расширяющиеся части. Но дело не только в форме. Сами кристаллы, входящие в рудные тела, состоящие из неорганических молекул, имеют сложные физические свойства, среди которых есть и определяющие разнообразные преобразования электромагнитной энергии, в том числе и нелинейные. Возникают вопросы о том, как же ведут себя кристаллы в рудных телах, когда на них падают электромагнитные волны, например свет солнца. Ведь существуют же минералы, для которых характерны фотоэлектрические эффекты.

В физике для исследования многих направлений отправные моменты были заложены наблюдениями за биологическими объектами. Особенно наглядно изучение электрических явлений. Так, опыты Л. Гальвани привели к тому, что А. Вольта сконструировал батареи — химические источники электрической энергии.

Л. Гальвани в 1771 г. начал исследовать электричество в живом организме. Изучая нервную систему лягушки, он заметил, что прикосновение металлического скальпеля к обнаженному седалищному нерву препарированной лягушки ведет к сокращению мышц задних лапок. Он подумал, что причиной сокращения лапки является электрический разряд, который проходит по нерву лягушки, а причиной разряда является атмосферное электричество. Когда была гроза, лапки лягушки вздрагивали. Однако лапки под действием грозовых разрядов вздрагивали слабее, чем при лабораторных опытах, и это навело Л. Гальвани на мысль, что дело совсем не в грозовых разрядах, а в наличии специального вида электричества, которое он называл «животным». После большого числа опытов Л. Гальвани в 1791 г. опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

А. Вольта — специалист по электрическим явлениям, повторяя опыты Л. Гальвани, дал другое объяснение судорогам лапки. А. Вольта пришел к выводу, что причиной судорог является разновидность электричества, которая возникает, когда замыкается цепь, состоящая из двух разнородных металлов и жидкости, находящейся в нервах лягушки. На базе идей Л. Гальвани А. Вольта сделал искусственную батарею, первый в мире источник тока — 20 пар кружочков различных металлов, которые разделены прокладками ткани и бумаги, смоченными соленой водой или растворами щелочи. Между Л. Гальвани и А. Вольта возник научный спор. В нем каждый был по-своему прав. Этот спор, в котором ставились новые опыты и проверялись различные гипотезы, содействовал дальнейшему развитию науки. Так развивались направления исследования электрических явлений, составившие позднее крупные разделы физики и физиологии. Появилось представление о том, что существует «животное» электричество. М. Фарадей, изучая различные виды электричества, показал, что «животное» электричество, или электричество биологического происхождения, ничем не отличается от других видов электричества по своим действиям, например от получаемого при трении, от термоэлектричества, «магнитного» электричества, которое возникает при пересечении замкнутыми проводниками магнитных полей, и гальванического электричества химического происхождения. М. Фарадей лишь не до конца ставил знак равенства между нервными сигналами и электрическими, считая все же, что нервная сила имеет более высокий порядок по сравнению с электрической или магнитной.

Создав источники электрического тока — батареи, А. Вольта исследовал действие своих батарей на язык и узнал, что оно приводит к появлению вкуса железного купороса, когда кусочки олова и серебра, соединенные проводом в батарею, прикладывают к языку. Далее был изучен орган зрения. Так было установлено, что органы чувств реагируют на электрические воздействия.

Электрическими батареями мы пользуемся и сейчас. А. Вольта называл их искусственными электрическими органами, этим подчеркивая, что именно биологические опыты натолкнули его на мысль о создании источников тока. Итак, А. Вольта пользовался бионическим подходом.

Сегодня построение технических систем для получения энергии с помощью аналогий с биологическими системами является одним из направлений исследования в бионике. Изучение и моделирование нейрона, нейронных сетей, нервных центров и принципов организации мозга живого организма с целью изыскания путей их использования в технических устройствах является важным направлением бионических исследований. На основе познания деятельности мозга ученые пытаются построить искусственные нервные клетки. Работам по созданию аналога нейрона посвящено много исследований.

Нейрон является преобразователем с двоичным выходом, т. е. с отсутствием или наличием сигнала. На нейрон биологического организма может подаваться возбуждающий или тормозящий импульс. Первый вызывает «срабатывание» нейрона, если количество энергии, накапливаемой нейроном за известный отрезок времени, превысит определенное, называемое пороговым, значение.

X. Крейн в 1960 г. построил электромеханическое устройство, которое он называл нейристором. Особенностью нейристоров является способность передавать импульс без затухания. В этом случае передается не сам сигнал, а зона возбуждения, перемещающаяся по линии. За зоной возбуждения распространяется зона пониженной возбудимости, не пропускающая импульсов, идущих сразу же за первым. Сборка первых нейристоров делалась на основе электромеханических реле. Собрать нейристор можно из двух реле: одно из них (Р) очень быстро реагирует на прохождение тока через катушку, другое (Q) — медленно из-за особенностей конструкции. Соединение двух таких реле как бы моделирует картину явлений, которые происходят в аксоне. Реле с большим быстродействием моделирует действие ионов натрия при проникновении в клетку, реле с медленным действием моделирует обратный процесс — восстановление равновесия под действием ионов калия.

Катушки соединяются в виде ячеек по две штуки, как показано на рисунке. В случае состояния покоя реле не соединяются с источником тока. Когда в цепи возникает возбуждение, на обмотках реле в ячейке n-1 растет потенциал U. Если потенциал увеличивается настолько, что замыкается реле Р с быстрым действием, то напряжение U прикладывается к концам обмоток реле ячейки n-1. Однако значение U существенно превышает пороговое напряжение, при котором срабатывает реле Р, и напряжение U попадает в точку Б через сопротивление R. Тогда в ячейке n увеличивается напряжение и замыкается реле Р, так же как и в случае с ячейкой n-1. Хотя и с замедлением, но начинают действовать реле Q: при замыкании реле Р на концах обмотки реле Q резко возрастает напряжение и реле Q срабатывает, разрывая контакт ячейки с источником тока. Затем оба реле: Р — быстрее, a Q — медленнее — возвращаются в исходное состояние покоя. И если в этот период в цепи появится возбуждение, то ничего не произойдет до тех пор, пока реле Р не вернется в исходное состояние и не сможет обеспечить контакт с источником энергии. Примерно так же и в такой же последовательности происходит процесс передачи электромеханического возбуждения и торможения в аксоне нервной клетки.

Нейристоры (технические модели нейронов) используются в качестве ячеек счетно-решающих устройств. Сейчас имеются более портативные нейристоры. Одни из них изготовлены из полупроводников, а другие используют современные достижения электрохимии. Однако и магнитные элементы могут помнить и передавать возбуждение.

В геологии — мире неживой материи — есть природные магниты, полупроводники и электрохимические элементы. Какие функции они могут выполнять? Как они могут трансформировать сигналы? Пока этот вопрос изучен недостаточно.

Бионика изучает много проблем. Среди них важное место занимает исследование действия электрических, магнитных, акустических и гравитационных полей. Широко изучаются системы поисков и обнаружения, навигации и ориентации. Такие системы могут иметь геологический и геофизический смысл.

Конструкторские бюро годами работают над различными проблемами создания геофизических приборов. Это совсем немного по сравнению со многими тысячами и миллионами лет в процессе эволюции живой природы. Вместе с тем анализ живых систем может дать ответ на целый ряд интересующих геофизическое приборостроение вопросов. В частности, приборостроителей всегда интересует сравнение с лучшими образцами, иллюстрирующими наши возможности. Можно считать, что одним из вариантов таких лучших образцов являются конструкции «приборов», созданных самой природой. Их небольшие габариты, чувствительность и надежность в ряде случаев превосходят известные сегодня характеристики аппаратуры. Во-вторых, биологические объекты могут служить прототипами технических моделей.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982